Réplication de l'ADN: Mécanismes de la réplication de l'ADN

Certains des modes les plus importants de la réplication de l'ADN sont les suivants!

La réplication de l'ADN chez les eucaryotes est semi-conservatrice, semi-discontinue et bidirectionnelle par rapport à la semi-conservatrice, bidirectionnelle et continue chez les procaryotes.

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La réplication de l'ADN se produit pendant la phase S du cycle cellulaire. C'est un processus complexe à plusieurs étapes qui nécessite plus d'une douzaine d'enzymes et de facteurs protéiques. Elle commence à un endroit particulier appelé origine de réplication ou ori. L'ADN bactérien et viral a une seule origine de réplication. Il fonctionne comme une unité de réplication unique ou un réplicon.

Dans l'ADN eucaryote, il existe plusieurs origines de réplication. Il possède plusieurs segments de réplication ou réplicons, à savoir multirepliconic. En l'absence d'ori, la réplication n'aura pas lieu. L'exigence d'un vecteur pour la technologie de l'ADN recombinant est d'obtenir l'origine de la réplication.

La réplication de l'ADN est très coûteuse sur le plan énergétique. L'enzyme principale de la réplication de l'ADN est l'ADN polymérase ADN dépendante. La réplication de l'ADN est assez rapide. La réplication de l'ADN de E. coli avec 4, 6 x 10 ⁶ pb nécessite 19 minutes.

Le taux moyen de polymérisation des bases est de 2000 pb par seconde dans chaque direction. La réplication nécessite une énergie abondante provenant de la dégradation des triphosphates des désoxyribonucléotides.

La réplication se déroule comme suit:

1. Activation des désoxyribonucléotides:

Des désoxyribonucléotides ou des désoxyribonucléosides monophosphates apparaissent librement dans le nucléoplasme. Ils sont de quatre types: deAMP (désoxyadénosine monophosphate), deGMP (désoxyguanosine monophosphate), deCMP (désoxycytidine monophosphate) et deTMP (désoxythymidine monophosphate). Ils sont d’abord phosphorylés et transformés en formes actives qui ont trois résidus de phosphate au lieu d’un. Les enzymes phosphorylases sont nécessaires avec l'énergie.

Les nucléotides phosphorylés sont les suivants: déATP (désoxyadénosine triphosphate), deGTP (désoxyguanosine triphosphate), deCTP (désoxycytidine triphosphate) et deTTP (désoxythymidine triphosphate). Ces triphosphates de bases ont un double objectif. Ils agissent en tant que substrat et fournissent de l'énergie pour la polymérisation des nucléotides.

2. Exposition de brins d'ADN:

Enzyme helicase (uncindase) agit sur le site Ori et décompresse (déroule) les deux brins de l’ADN en détruisant les liaisons hydrogène. Les brins séparés sont stabilisés au moyen de protéines de liaison simple brin (SS BP) ou de protéines stabilisantes en hélice. Le dénouement crée une tension dans la partie non enroulée en formant davantage de super rouleaux. La tension est libérée par les enzymes topoisomérases.

Ils provoquent des coupures et des sceaux du brin d'ADN. En plus de la topoisomérase, les bactéries possèdent une autre enzyme appelée ADN gyrase qui peut introduire des supercoils négatifs (les travailleurs plus âgés pensaient que la gyrase fonctionnait à la fois pour l'hélicase et pour la topoisomérase).

Avec l'aide de diverses enzymes, les deux brins d'ADN deviennent ouverts à la réplication. Cependant, tout l'ADN ne s'ouvre pas en une fois en raison d'un besoin en énergie très élevé. Le point de séparation avance lentement dans les deux sens. Dans chaque direction, il donne l'apparence d'une structure en forme de Y appelée fourche de réplication (Fig. 6.13 et 6.14).

3. Amorce d'ARN:

C'est essentiel pour l'initiation de nouvelles chaînes d'ADN. L'amorce d'ARN est un petit brin d'ARN synthétisé à l'extrémité 5 'du nouveau brin d'ADN à l'aide de l'enzyme ARN polymérase spécifique de l'ADN appelée primase. L'amorce d'ARN est formée sur l'extrémité libre d'un brin et l'extrémité fourche de l'autre brin. La formation de l'amorce d'ARN constitue la phase d'initiation de la synthèse de l'ADN car sans la présence de l'amorce d'ARN, les polymérases d'adn ne peuvent pas ajouter de nucléotides.

Une enzyme plus complexe, appelée primo, est nécessaire dans le phage × 174 et certains autres systèmes procaryotes. Chez les eucaryotes, la fonction de la primase est réalisée par l'enzyme ADN polymérase α. Il construit environ 10 bases d'ARN et 20 à 30 bases d'ADN (Lewin, 2004). Après le début de la chaîne nucléotidique, l'amorce d'ARN est éliminée et l'espace est comblé par l'ADN polymérase I chez les procaryotes et l'ADN polymérase β chez les eucaryotes.

4. ADN polymérases:

Les procaryotes ont trois types principaux d'enzymes de synthèse de l'ADN appelées les ADN polymérases III, II et I. Tous ajoutent des nucléotides dans la direction 5 '-> 3' sur un tronçon de 3 '-> 5' du brin parent. Ils possèdent également une activité exo-nucléase 3 '-> 5'. Alors que l'ADN polymérase III est principalement impliquée dans la réplication de l'ADN (addition et polymérisation de nouvelles bases), la polymérase I est l'enzyme de réparation majeure. La polymérase II est une enzyme de réparation mineure.

L’ADN polymérase I a également une activité exonucléase 5 -> 3. On trouve cinq types d'ADN polymérases chez les eucaryotes: α, β, γ, δ et ε, mais les trois principaux sont α, δ et e. La polymérase 8 est impliquée dans la réplication du brin conducteur. La polymérase peut aider à la synthèse du brin en retard par rapport à d'autres rôles. La polymérase α est la plus grande et principale enzyme de réplication de l’ADN. Tous les ADN polymérases ont la configuration suivante: main agrippante avec le pouce d’un côté, les doigts de l’autre et la paume comme un site catalytique concave permettant de combiner des paires matrice et base.

5. Couplage de la base:

Les deux brins d'ADN séparés dans la fourche de réplication fonctionnent comme des modèles. Les désoxyribonucléosides triphosphates sont opposés aux bases azotées des matrices d'ADN exposées - deTTP opposé A, deCTP opposé G, deATP opposé T et deGTP opposé C.

Une attaque nucléophile sépare un pyrophosphate (PPi) du triphosphate. Des liaisons phosphodiester sont établies. L'hydrolyse du pyrophosphate par l'enzyme pyrophosphatase libère de l'énergie. Deoxyribouncleoside triphosphate → Désoxyribouncleoside monophosphate + PPi

L'énergie est utilisée pour établir des liaisons hydrogène entre les nucléotides libres et les bases azotées des matrices.

6. Formation de la chaîne:

Il nécessite l'ADN polymérase III (Kornberg, 1956) chez les procaryotes et la polymérase δ / ε chez les eucaryotes. L'ADN polymérase III est une enzyme complexe ayant sept sous-unités (a, β,, ƴ, €, θ, τ). En présence de Mg ²⁺, d'ATP (GTP), de TPP et d'ADN polymérase III, les nucléotides adjacents trouvés attachés aux bases azotées de chaque brin d'ADN matrice établissent des liaisons phosphodiester et sont liés pour former un brin d'ADN répliqué.

Au fur et à mesure que la réplication se déroule, de nouvelles zones de l'ADN parent duplex se déroulent et se séparent, de sorte que la réplication progresse rapidement du lieu d'origine vers l'autre extrémité. L'amorce d'ARN est éliminée et l'espace rempli de nucléotides complémentaires au moyen de l'ADN polymérase I. En raison de l'ouverture séquentielle de la double chaîne de l'ADN et de sa réplication pour former deux chaînes, la réplication de l'ADN est également appelée duplication par fermeture à glissière.

Cependant, l'ADN polymérase ne peut polymériser les nucléotides que dans le sens 5 '→ 3' sur le brin 3 '-> 5' car elle les ajoute à l'extrémité 3 '. Étant donné que les deux brins d'ADN fonctionnent dans des directions antiparallèles, les deux matrices fournissent des extrémités différentes pour la réplication. La réplication sur les deux modèles s'effectue donc dans des directions opposées. Un brin de polarité У -> 5 'forme continuellement son brin complémentaire car son extrémité 3' est toujours ouverte à l’allongement.

C'est ce qu'on appelle le fil conducteur. La réplication est discontinue sur l'autre matrice avec la polarité 5 ′ → 3 car seul un court segment de brin d'ADN peut être construit dans la direction 5 ′ → 3 en raison de l'exposition d'un petit bout de matrice en même temps. De courts segments d'ADN répliqué sont appelés fragments d'Okazaki (= segments d'Okasaki; Reiji Okazaki, 1968). Chacun d'entre eux a 1000 à 2000 pb chez les procaryotes et 100 à 200 pb chez les eucaryotes.

Un amorce d'ARN est également nécessaire chaque fois qu'un nouveau fragment d'Okazaki doit être construit. Après avoir remplacé l'amorce d'ARN par des désoxyribonucléotides et leur polymérisation, les fragments d'Okazaki sont reliés entre eux au moyen d'une enzyme, l'ADN ligase (Khorana, 1967). Le brin d'ADN constitué de fragments d'Okazaki est appelé brin retardant.

Lorsque l'un des brins se développe continuellement pendant que l'autre se forme de manière discontinue, la réplication de l'ADN est semi-discontinue. Étant donné que la réplication se déroule dans les deux sens à partir de l'origine de la réplication ou de l'ori, un brin parent formera un brin principal d'un côté et un brin en retard de l'autre. L'inverse se produit sur les brins parents de l'autre côté. Cela aide à terminer la réplication simultanément dans tout le réplicon.

7. Relecture et réparation de l'ADN:

Une base incorrecte est parfois introduite lors de la réplication. La fréquence est de un sur dix mille. L'ADN polymérase III est capable de détecter la même chose. Il revient en arrière, supprime la mauvaise base, permet l'ajout d'une base appropriée, puis avance. Cependant, même l'ADN polymérase III est incapable de distinguer l'uracile de la thymine, de sorte qu'elle est souvent incorporée à la place de la thymine. Une telle disparité est corrigée au moyen d'un certain nombre d'enzymes.

Il existe un mécanisme de réparation distinct pour tout dommage causé à l'ADN dû à une mutation, à une exposition aux UV ou à une non-concordance qui échappe au mécanisme de correction d'épreuves. Une entaille ou une cassure est causée par une endonucléase située près de la région à réparer. L'ADN polymérase I (Komberg, 1969) élimine les nucléotides incompatibles ou incorrects s'ils sont présents et synthétise un remplacement correct en utilisant le brin intact comme matrice. Le segment nouvellement formé est scellé par l'ADN ligase.