La base moléculaire de la vie CHAPITRE 7 La base moléculaire de la vie

7.1 – L’isolement du matériel héréditaire 1865 – Les hypothèses de Mendel remettaient en questions les croyances de l’époque. http://www.google.ca/search?q=Gregor+Mendel&hl=fr&tbs=tl:1&tbo=u&ei=NX8GS6TyEIHinAeqvqnLCw&sa=X&oi=timeline_result&ct=title&resnum=18&ved=0CEgQ5wIwEQ Il soutenait que les gamètes paternels et maternels contribuaient d’une façon égale. L’information fournie par chaque parent n’était pas mélangée mais plutôt d’information discrètes (facteurs d’hérédité)

http://www2.edc.org/weblabs/mendel/mendel.html http://www.dnaftb.org/dnaftb/1/concept/ animation

Il ajoutait que même si 2 facteurs existent pour chaque caractère visible, l’un d’eux pourra ne pas être exprimé. À l’époque les découvertes de Mendel n’ont pas obtenu une grande reconnaissance. (dominant-récessif)

A A B AB AB B AB AB

a A B AB aB b Ab ab Génotype, phénotype

1869 À peine 4 ans plus tard, Friedrich Miescher a isolé une substance appelée « nucléine » qui était composée d’une partie acide (acide nucléique) et d’une partie alcaline (protéine). Presqu’un siècle s’est écoulé avant qu’on fasse le lien entre l’acide nucléique isolé par Miescher et les facteurs héréditaires de Mendel.

Les composantes des acides nucléiques Phoebus Levene (ds les années 1900 à 1930) a isolé 2 types d’acides nucléiques: ARN et ADN. Les acides nucléiques comme l’ADN et l’ARN sont des polymères de nucléotides. Ce sont des composés de groupes phosphates, d’un groupe d’un sucre à 5 atomes de carbone (désoxyribose ou ribose) et d’une base azotée. Voir figure 7.4 – Page 219

Phoebus Levene

La structure du ribose ds l’ARN : le carbone 2 est lié à un groupement hydroxyle (OH). Voir figure 7.2 A – page 219 La structure du désoxyribose ds l’ADN : le carbone 2 est lié à un seul atome d’hydrogène plutôt qu’au groupement hydroxyle. Voir figure 7.2 B – page 219

Levene a pu démontrer par la suite que les acides nucléiques sont constitués d’unités individuelles qu’il a nommé nucléotides. L’ADN et l’ARN contiennent tous les 2 une combinaison de 4 nucléotides différents. Chaque nucléotide est composé d’un sucre à 5 atomes de carbone, d’un groupement phosphate et d’une des 4 bases azotées.

Ds l’ADN, les bases azotées sont : A adénine G guanine C cytosine T thymine Ds l’ARN, les bases azotées sont : U uracile

La seule différence entre les nucléotides de chaque acide nucléique se trouve ds leurs bases.( Uracile et thymine.) L’ADN contient de l’information génétique sur la répétition des mêmes motifs et l’ordre ds lequel les acides aminés doivent être joints pour former une protéine. L’ARN est l’intermédiaire ds le processus de synthèse de protéines. Il sert de messager en copiant de l’information de l’ADN sur la séquence d’acides aminés ds une protéine.

À la fin des années 1940, Erwin Chargaff a infirmé une des principales conclusion de Levene : que les 4 nucléotides n’étaient pas présents en quantité égale, mais qu’on les trouvait plutôt ds des proportions variables mais caractéristiques. Règle de Chargaff : Que ds tout échantillon d’ADN, la quantité d’adénine est toujours égale à la quantité de thymine et que la quantité de cytosine est toujours égale à la quantité de guanine.

Erwin Chargaff

http://www.dnaftb.org/dnaftb/17/concept/ En 1952, on a proposé une preuve très concluante selon laquelle l’ADN constitue le matériel génétique. Page 222 – Figure 7.8 http://www.dnaftb.org/dnaftb/18/concept/

Page 223 # 2,3,5 2. l’adénine, la guanine, la cytosine, la thymine et l’uracile sont les 5 nucléotides. On ne trouve l’uracile que ds l’ARN, à la place de la thymine. 3.

5. La règle de Chargaff établit que la quantité d’adénine = quantité de thymine et que la quantité de cytosine = la quantité de guanine.

7.2 – La structure des acides nucléiques À la fin des années 1940, on savait que chaque nucléotide était constitué d’un sucre, d’un groupement phosphate et d’une base azotée particulière. Cependant, l’organisation demeurait un mystère… (dum da dum dum…. DUM!!!!)

En 1953, Watson et Crick ont travaillé avec des modèles physiques et seront arrêtés par le modèle à double hélice. PHOTOS… L’ADN : la double hélice L’ADN est une mlc filiforme constituée de 2 brins de nucléotides reliées ensemble sous forme d’une double hélice.

Watson et Crick

Les rampes de phosphate-sucre forment les 2 côtés. Les bases azotées, deux par deux, forment les échelons. Il y a des liaisons hydrogène entre les bases azotées. L’espace entre les échelons est de 0,34 nm. (10-9) Le brin fait un tour complet toutes les 10 paires de bases ou 3,4 nm. Voir page 225 – Figure 7.12**

Les nucléotides se lient pour former de longues chaînes. Le C5’ (pentose) d’un nucléotide est relié à un groupement hydroxyle (OH) porté par C3’ sur l’autre nucléotide. Le groupement phosphate sert de pont entre 2 nucléotides. Tous les ponts phosphates ont la même orientation. Par conséquent, chaque brin a une orientation spécifique, cette orientation est ds le sens contraire pour l’autre brin. La séquence des nucléotides est lue de 5’ vers 3’. Les bases azotées sont à intervalles réguliers.

Watson et Crick ont découvert que la structure des bases ne permettait que certains appariements entre les bases complémentaires. Ce qu’ils savaient : adénine et guanine sont dérivées de la famille des purines (structure possède 2 anneaux). Thymine et cytosine sont dérivées de la famille des pyrimidines (structure possède 1 anneau) Conclusion : si une purine se liait avec une pyrimidine, la largeur totale sera constante ds la mlc.

(retour à la règle de Chargaff – A avec T et C avec G) Les appariements sont à l’origine de la largeur constante de ces mlc. N.B. Entre adénine et thymine il y a 2 liaisons hydrogène. Entre cytosine et guanine, il y a 3 liaisons hydrogène.

Trois forces qui contribuent à la stabilité moléculaire de la molécule d’ADN 1. Les ponts phosphate lient les rampes sucre phosphate entre elles. 2. Les liaisons hydrogène entre les paires de bases maintiennent les brins ensemble ds l’hélice. 3. Les réactions hydrophobes (bases azotées) et hydrophiles (sucre-phosphate) gardent les bases à l’intérieur de la mlc et amènent les rampes à se faire face ds le noyau aqueux de la ¢. NB. Hydrophobe : n’aime pas l’eau; hydrophile : aime l’eau.

Les 2 brins d’ADN qui constituent chaque double hélice ne sont pas N.B. Les 2 brins d’ADN qui constituent chaque double hélice ne sont pas identiques mais plutôt complémentaires. Les 2 brins d’ADN sont aussi antiparallèles ce qui veut dire que les ponts phosphate sont inverses. Voir figure 7.14 page 227 http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/ADN_Prot/ADN_ARN/ADN_ARN2.html

L’ARN On trouve l’ADN et l’ARN ds la plupart des bactéries et ds le noyau des ¢ eucaryotes. La structure moléculaire de l’ARN est semblable à celle de l’ADN, à 3 différences près :

1. Le sucre qui entre ds la composition de l’ARN est le ribose et non le désoxyribose. 2. On ne trouve pas de nucléotide à thymine ds l’ARN, il est remplacé par le nucléotide uracile. 3. L’ARN se compose d’un seul brin, même si parfois ce brin peut se replier sur lui-même. Les différentes structures que l’ARN peut prendre produisent différents types d’ARN qui ont des fonctions particulières.

L’organisation du matériel génétique On a vu : Structure primaire de l’ADN : la manière dont les nucléotides sont liés les uns aux autres peut former une chaîne. Structure secondaire : la chaîne de nucléotides qui forme une double hélice stable.

Comment ces composantes s’organisent-elles en trois dimensions ds une ¢? En général le brin d’ADN est beaucoup plus long que le virus ou la ¢. Ce matériel doit donc prendre une forme qui lui permet d’entrer ds l’enveloppe protéinique. 2 facteurs clés que l’organisation de ce matériel héréditaire doit tenir compte de :

1e : Le matériel doit être disposé de façon compacte pour empêcher que les longs brins d’ADN n’interfèrent les uns avec les autres ou avec d’autres processus cellulaires. 2e : Le matériel héréditaire de l’organisme doit être protégé des enzymes présentes ds la ¢ dont la fonction consiste à décomposer l’ADN libre pour libérer les nucléotides.

2 exemples : les procaryotes et les eucaryotes Les procaryotes : microorganismes unicellulaire n’ayant pas de noyau, et donc pas de membrane nucléaire pour garder le brin d’ADN ds un endroit particulier de la ¢. Ils entassent le matériel génétique ds un endroit spécifique appelé “nucléoïde”.

L’ADN se lie pour former un anneau fermé, ensuite tordu sur lui- même en une série de petites boucles surtorsadés. Les plasmides sont de petites molécules d’ADN à double brin circulaire qui flottent ds le cytoplasme de la ¢.

Les eucaryotes : organismes ayant une ¢ avec un noyau. Ils ont 10 fois plus d’ADN qu’une bactérie ds une ¢ simple. (¢ humaine  environ 2m d’ADN, 6 milliards de paires de bases.) (comparaison : 400km de spaghetti ds une baignoire) Ces fibres d’ADN ne s’enroulent jamais, causé par une organisation extrêmement structurée.

L’organisation structurée d’une ¢ eucaryote L’ADN à double hélice s’enroule autour des protéines histone pour former un fil de nucléosomes. Les nucléosomes forment un réseau régulier pour produire des fibres de chromatine. Les fibres de chromatine forment des boucles pour condenser le matériel génétique ds un court chromosome.

http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0023-1 chromatine Chromosome double brin Double brin ADN avec histone (nucléosome) Chromosome double brin + condensé

Questions de révision – 7.1 et 7.2 Il a isolé 2 types d’acides nucléiques. Base azotée, sucre (5 carbones), groupement phosphate A, C, G, U C2 ds le ribose (ARN) est lié à OH, tandis que le C2 ds ADN est lié à l’hydrogène Liaison hydrogène Base azotée Synthèse des protéines Que ds tout échantillon d’ADN, la quantité d’adénine est toujours égale à la quantité de thymine et que la quantité de cytosine est toujours égale à la quantité de guanine

A-T = 2 liaisons hydrogène C – G = 3 liaisons hydrogène Pont phosphate-sucre Structure qui possède 2 anneaux. Adénine et guanine. Que les gamètes paternels et maternels contribuaient de façon égale. Car une purine se lie avec une pyrimidine Que les 4 nucléotides n’étaient pas présents en quantité égale, mais qu’on les trouvait plutôt ds les proportions variables mais caractéristiques nucléine

Sucre Structure qui possède 1 anneau. Thymine et cytosine Le sucre, thymine ds l’ADN et uracile ds l’ARN, ARN = un seul brin.

7.3 – La réplication de l’ADN Le zygote unicellulaire formé par la fusion d’un spermatozoïde et d’un ovule, pendant la période de gestation de 240 jours, donnera 1012 de ¢ qui auront exactement le même complément génétique que le zygote de départ.

La réussite de ce processus de développement dépend de 2 facteurs : Le génome doit être copié assez vite, et il doit être copié avec précision. De quelle manière l’ADN se réplique? On a établit 3 principales possibilités :

La théorie conservatrice : la réplication comporte la formation de 2 nouveaux brins fils à partir des matrices parents et ces 2 nouveaux brins s’unissent pour créer une nouvelle hélice. La théorie semi-conservatrice : (Watson et Crick) chacune des mlc d’ADN fils se compose d’un brin parent et d’un nouveau brin.

3. La théorie dispersive : les mlc d’ADN parents sont décomposées en fragments et que les 2 brins d’ADN ds chacune des mlc filles sont constituées d’un assortiment d’ADN parental et de nouvel ADN. Les expériences de Meselson et Stahl ont portés sur les 3 hypothèses et ils ont rejeté la théorie conservatrice et la théorie dispersive, pour enfin appuyer la théorie semi-conservatrice. IMP : page 233 figure 7.21

Le processus de réplication : 3 phases Activation  Élongation Achèvement

Activation : ds cette phase une partie de la double hélice de l’ADN est déroulée pour exposer les bases à un nouvel appariement. Une séquence de nucléotides séparent les 2 brins pour ouvrir une bulle de réplication. L’enzyme ADN polymérase s’insère ds l’espace et utilise les brins parents comme matrice et ajoute un nucléotide à la fois pour créer un nouveau brin complémentaire du brin matrice existant.

L’endroit où l’hélice est déroulée et où les nouveaux brins se développent s’appelle une fourche de réplication. Les enzymes hélicases coupent et déroulent de courts segments d’ADN juste avant la fourche de réplication.

2. L’élongation : 2 nouveaux brins d’ADN sont assemblés en utilisant l’ADN parental comme matrice. Il y a 2 conditions au processus d’élongation : i) la réplication ne peut avoir lieu que ds le sens 5’  3’ des nouveaux brins; ii) un court brin d’acide ribonucléique/amorce doit être libre pour servir de point de départ à l’ancrage de nouveaux nucléotides.

Les fragments d’Okazaki sont de courts segments d’ADN synthétisés ds le sens 5’  3’ par l’ADN polymérase. Les segments sont collés ensemble par une enzyme appelée ADN ligase, ce qui catalyse la formation des liaisons phosphates entre les nucléotides. Voir schéma 7.26, par 237

3. L’achèvement : le processus de réplication est terminée et les nouvelles molécules d’ADN, composés chacune d’un brin d’ADN parental et d’un brin d’ADN fils, se reforment en hélice. ** En pratique, la plupart de ces phases peuvent se dérouler simultanément sur la même molécule d’ADN.

La vérification et la correction : Après qu’un nucléotide s’ajoute à un nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase peut reconnaître s’il y a ou non une liaison hydrogène entre les pairs. S’il y a une erreur, la polymérase coupe la base et ajoute le bon nucléotide. Le taux d’erreur est de 1 sur 1 milliard de pairs de bases. Le processus de vérification de l’ADN comporte l’action de plusieurs enzymes différentes et d’autres protéines. Ces substances travaillent ensemble ds un complexe connu sous le nom de machine à répliquer.

Les fonctions des enzymes clés ds la réplication de l’ADN : Primase : synthétise une amorce d’ARN pour commencer le processus d’élongation Hélicase : coupe et déroule de petites sections d’ADN situées avant la fourche de réplication. ADN polymérase : trois fonctions différentes : i) ajoute de nouveaux nucléotides à l’extrémité 3’ du brin; ii) démantèle l’amorce ARN; iii) vérifie l’appariement des bases ADN ligase : catalyse la formation des ponts phosphate entre les nucléotides pour unir les fragments d’Okazaki.

http://www.ac-rennes.fr/pedagogie/svt/cartelec/cartelec_lyc/premiere_s/vegetal/adn/replic1.htm#animation http://nobelprize.org/educational_games/medicine/dna/a/replication/replication_ani.html (anglais) http://www.planetegene.com/view/replication-de-l-adn http://rea.decclic.qc.ca/dec_virtuel/Biologie/101-NYA-05/Cellule_et_evolution/2.Le_Gene/Replication/replication.htm http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.fr.html http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/replication/replication.htm (anglais) http://highered.mcgraw-hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::535::/sites/dl/free/0072437316/120076/micro04.swf::DNA%20Replication%20Fork (McGrawhill)

7.4 –Les gènes et le génome Génome : est tout l’ADN présent ds les ¢ d’un organisme. Gène : est la principale sous-unité fonctionnelle de l’ADN qui a le potentiel requis pour être exprimée (information héréditaire)

L’organisation d’un génome Les gènes ne sont pas espacés régulièrement le long des chromosomes. La densité varie d’un chromosome à l’autre. Ex : Chromosome 4 : 1300 millions de bases avec 200 gènes, chromosome 19 : 72 millions de bases avec 1450 gènes.

On peut dire la même chose entre le nombre de gènes et la taille de son génome. Ex : humain : 3 milliards de paires de bases avec 35 000 gènes. Ver : 30 fois moins d’ADN avec 18 000 gènes. Conclusion : différents organismes avec différents génomes contiennent des quantités différentes d’ADN.

Les exons et les introns. Exon : fragment codant d’origine eucaryote. Chaque gène est composé d’un ou de plusieurs exons. Intron : séquence interposée non codante d’un gène eucaryote. exon intron

Les familles multigéniques Une ¢ eucaryote a généralement plusieurs copies de certains gènes. contiennent des centaines à des centaines de milliers de copies du même gène.

Les pseudogènes Les pseudogènes sont des gènes qui ont mutés à tel point qu’elles ne fonctionnent plus comme les gènes de départ. On ne sait pas encore s’ils ont une fonction métabolique.

Les séquences répétitives En plus des introns et les familles multigéniques, les ¢ eucaryote renferment aussi de longs brins de séquence d’ADN répétitives des séquences de nucléotides répétées à des milliers et des milliers de fois. Ces structures n’ont pas de fonctions codantes, mais peuvent jouer un rôle ds le processus de réplication de l’ADN.

Page 223 Numéro 2 L’adénine, guanine, cytosine, thymine et uracile sont les 5 nucléotides. On ne trouve qu’uracile ds l’ARN. Numéro 3 Groupement phosphate, sucre (5 carbones), base azotée Numéro 5 Règle de Chargaff : A = T, et C = G. Les pairs sont toujours ensemble (vu qu’il y a le même nombre).

Page 231 Numéro 3 Les rampes sont constitués de phosphate et sucre (désoxyribose). Les groupements phosphate forment des ponts entre le C5 d’un sucre et le groupement hydroxyle (OH) de C3. Numéro 4 ADN ARN Double hélice simple brin Thymine uracile Se trouve ds le noyau ds le noyau et ds le cytoplasme Sucre : désoxyribose sucre : ribose

Numéro 5 Les purines, (A et G) ont une structure à double anneau, alors que les pyrimidines (C et T) ont une structure simple à un anneau. Pour que les rampes de l’hélice demeurent parallèles, chaque purine doit donc être appariée à une pyrimidine, et chaque pyrimidine à une purine. C’est possible, car C et G ont trois sites de liaison hydrogène, alors que A et T en ont chacun deux. Numéro 6 L’appariement complémentaire, qui appuie la règle de Chargaff, signifie que les brins doivent être antiparallèles, c’est-à-dire que les ponts phosphate ds le sens 5’ vers 3’ sont orientés ds des directions opposées sur chaque brin. Numéro 7 La stabilité de l’ADN est due aux ponts phosphate qui relient les groupements sucre-phosphate ds les rampes aux liaisons hydrogène entre les bases et aux réactions hydrophiles et hydrophobes qui se produisent pour maintenir les bases à l’intérieur de la molécule.

Page 240 Numéro 1 Conservatrice : 2 brins d’ADN fille répliquée à partir de brins parentaux se réunissent pour former une nouvelle double hélice. L’hélice originale se reforme. Semi-conservatrice : chaque brin d’ADN fille s’unit à un brin parental pour former une nouvelle double hélice. Cette théorie s’appuie sur des preuves expérimentales. Dispersive : Les brins d’ADN parentaux sont dissociés et répliqués après quoi les nouvelles doubles hélices se rassemblent en combinant des fragments des anciens et des nouveaux brins.

Numéro 5 Hélicase : coupe et déroule de petites sections d’ADN devant la fourche de réplication. ADN polymérase : trois fonctions  ajoute de nouveaux nucléotides à l’extrémité 3’ du brin d’élongation; démantèle l’amorce de l’ARN; vérifie l’appariement des bases. ADN ligase : catalyse la formation de ponts phosphate entre les nucléotides pour les relier aux fragments d’Okazaki ADN primase : synthétise une amorce d’ARN pour déclencher le processus d’élongation Numéro 6 Les fragments d’Okazaki sont de courts brins d’ADN assemblés par l’ADN polymérase. L’ADN ligase les épisse pendant le processus d’élongation du brin secondaire qui doit être formé ds le sens 5’  3’. Numéro 7 Pendant que la réplication se poursuit le long d’un nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase reconnaît les bases incorrectes à l’absence de liaisons hydrogènes adéquates. Il coupe ces bases et les remplace par les bases adéquates.

Page 246 Numéro 4 Un pseudogène est la copie d’un gène qui a muté au point qu’il ne fonctionne plus comme un gène.

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