Exercices corrigés : la réplication de l'ADN (Première spécialité SVT)

B. Une chromatide contient une seule molécule d'ADN, très longue, associée à des protéines qui la structurent.

Piège : la réponse A décrit la double hélice d'UNE molécule : ses deux brins ne sont pas deux molécules, ils sont liés par l'appariement des bases. La réponse C confond brin et molécule.

C. La quantité d'ADN double pendant la phase S, entre G1 et G2.

La mitose ne copie rien : elle répartit entre deux cellules les deux chromatides déjà formées. Confondre le moment de la copie et celui de la séparation est l'erreur la plus fréquente du chapitre.

B. C'est le sens du mot semi-conservative : chaque molécule fille conserve la moitié de la molécule initiale, un brin entier, et reçoit un brin neuf.

A et C décriraient un mécanisme conservatif (une molécule entièrement neuve à côté de l'ancienne), D un mécanisme dispersif : ce sont les deux hypothèses que l'expérience de Meselson et Stahl a écartées (exercice 9).

C. En face de chaque nucléotide du brin modèle se place le nucléotide complémentaire : A avec T, G avec C.

Piège : le brin neuf n'a pas la séquence du brin qu'il copie (A). Il a la séquence de l'autre brin de la molécule initiale, ce qui reconstitue exactement la molécule de départ (exercice 3).

A. L'ADN polymérase relie un à un les nucléotides libres du noyau, dans l'ordre imposé par le brin modèle.

Elle ne fabrique pas les nucléotides (B) : leur synthèse, comme le détail de la machinerie enzymatique, est hors programme. C et D décrivent la mitose et le chromosome, pas la réplication.

D. Les mitoses successives d'une cellule produisent un clone : la réplication donne deux copies de chaque molécule, et la mitose en donne une à chaque cellule fille.

Le mot « identiques » s'entend aux rares erreurs de réplication près, qui sont l'objet du chapitre sur les mutations. A confond clone et tissu.

C. Une cellule humaine possède 46 chromosomes. En G2, après la phase S, chacun a deux chromatides, soit $46\times 2=92$ chromatides, donc 92 molécules d'ADN dans le noyau.

Piège : répondre 46 (B), le nombre de chromosomes, ou « 46 chromatides » (D), le nombre de G1. On compte les molécules en comptant les chromatides, jamais les chromosomes.

1 : la fourche de réplication, point où la molécule s'ouvre. 2 : un brin parental, celui de la molécule initiale.

3 : un brin néoformé, en bleu, construit le long du brin parental. 4 : de l'ADN pas encore répliqué, encore formé des seuls deux brins parentaux. 5 : l'origine de réplication, au milieu de l'œil, là où la réplication a commencé.

Piège : appeler « œil » la fourche. L'œil est toute la région déjà répliquée ; il est limité par DEUX fourches.

Je vois : de $t_{1}$ à $t_{2}$, les deux extrémités de l'œil ont reculé, l'une vers la gauche, l'autre vers la droite, et le milieu de l'œil est resté sur le pointillé.

J'en déduis que l'œil s'allonge des deux côtés à la fois : à partir d'une origine, deux fourches progressent en sens opposés. On dit que la réplication est bidirectionnelle.

La règle donne les extrémités de l'œil : de $3$ à $6$ µm à $t_{1}$, de $1{,}5$ à $7{,}5$ µm à $t_{2}$.

Longueur à $t_{1}$ : $6-3=3{,}0$ µm. Longueur à $t_{2}$ : $7{,}5-1{,}5=6{,}0$ µm.

En $3$ min, l'œil s'est allongé de $6{,}0-3{,}0=3{,}0$ µm, partagés entre les deux fourches :

$v=\dfrac{3{,}0}{2\times 3}=0{,}50$ µm/min

En paires de bases : $0{,}50$ µm $=500$ nm, donc

soit environ $25$ nucléotides ajoutés par seconde sur chaque brin néoformé.

Piège : diviser $3{,}0$ µm par $3$ min donne $1{,}0$ µm/min, la vitesse d'allongement de l'œil, le double de celle d'une fourche.

À la fourche, les deux brins parentaux se séparent. Chacun sert de modèle : l'ADN polymérase place en face de chaque nucléotide le nucléotide complémentaire et les relie en un brin neuf.

Chaque segment double de l'œil associe donc un brin parental et le brin neuf construit sur lui : c'est la réplication semi-conservative, vue à l'échelle de la molécule.

Je vois : en face de chaque A du brin 1 se trouve un T du brin 2, en face de chaque G un C, et inversement.

Les paires A-T sont tenues par deux liaisons, les paires G-C par trois : la règle est A avec T, G avec C.

Le brin neuf est complémentaire du brin 1 : en face de A il porte T, en face de G il porte C. Sa séquence est donc TTACGGTATCCA, exactement celle du brin 2.

Piège : répondre « la séquence du brin 1 ». Le brin neuf est l'image complémentaire de son modèle, pas sa copie conforme ; c'est la molécule ENTIÈRE qui est copiée à l'identique.

Deux brins neufs se construisent, un en face de chaque brin parental.

Brin neuf construit sur le brin 1 : un A en face de chaque T du brin 1, soit 3 A.

Brin neuf construit sur le brin 2 : un A en face de chaque T du brin 2, c'est-à-dire de chaque A du brin 1, soit 4 A.

Total : $3+4=7$ nucléotides à adénine. De même, $3+2=5$ nucléotides à cytosine.

Au total, deux brins de 12 nucléotides : $2\times 12=24$ nucléotides.

Piège : compter un seul brin neuf ($3$ A). La réplication produit deux molécules, donc deux brins neufs.

Le gène compte $0{,}38\times 1\,500=570$ paires G-C, chacune avec une seule cytosine.

Le raisonnement du c) montre que les deux brins neufs réunis contiennent autant de cytosines que la molécule initiale : $570$ nucléotides à cytosine.

Total : deux brins neufs de $1\,500$ nucléotides, soit $3\,000$ nucléotides.

Chaque molécule fille associe un brin parental, conservé, et un brin neuf complémentaire de lui (document ci-dessous).

La molécule fille 1 réunit le brin 1 et un brin de séquence TTACGGTATCCA ; la molécule fille 2 réunit un brin de séquence AATGCCATAGGT et le brin 2. Les deux ont la séquence de paires de bases de la molécule initiale : l'information génétique est conservée, et chaque cellule fille en recevra une copie exacte.

Une chromatide du chromosome 1 contient une seule molécule de $249\times 10^{6}$ paires de bases :

Une molécule de plusieurs centimètres tient dans un noyau de quelques micromètres.

Le chromosome 21, le plus petit des autosomes, porte une molécule environ cinq fois plus courte.

En G1, le noyau contient deux lots de chromosomes à une chromatide, soit $2\times 3{,}2\times 10^{9}=6{,}4\times 10^{9}$ paires de bases :

Piège : oublier le second lot et trouver $1{,}1\ \mathrm{m}$. Une cellule du corps est diploïde.

Pendant la phase S, chaque molécule a été répliquée : en G2, chaque chromosome a deux chromatides, et le noyau contient deux fois plus d'ADN qu'en G1, soit environ $4{,}4\ \mathrm{m}$.

L'ADN déroulé d'une seule cellule est environ cent mille fois plus long que la cellule elle-même.

Cellules à noyau : $3\times 10^{13}\times 0{,}16=4{,}8\times 10^{12}$.

$L_{\text{tot}}=4{,}8\times 10^{12}\times 2{,}18\ \mathrm{m}\approx 1{,}0\times 10^{13}\ \mathrm{m}=1{,}0\times 10^{10}\ \mathrm{km}$, environ $10$ milliards de kilomètres.

$\dfrac{1{,}04\times 10^{10}}{1{,}5\times 10^{8}}\approx 70$ fois la distance de la Terre au Soleil.

C'est une estimation : les nombres de cellules sont des ordres de grandeur, et une partie des cellules est en G2.

En métaphase, la molécule d'une chromatide est environ $8\,500$ fois plus courte que déroulée : elle est enroulée et repliée avec ses protéines, ce qui la rend transportable lors de la séparation des chromatides. En interphase, l'ADN est décondensé, ce qui laisse les brins accessibles pour la réplication.

Un plan possible.

Introduction : une cellule qui se divise par mitose donne deux cellules filles au caryotype conservé. Le problème : comment l'information génétique, portée par la séquence de l'ADN, est-elle copiée puis partagée sans perte ?

I. Le support : chaque chromosome, en G1, est formé d'une chromatide, c'est-à-dire d'une seule longue molécule d'ADN associée à des protéines. L'ADN est fait de deux brins appariés, A avec T et G avec C.

II. La copie, en phase S : la molécule s'ouvre à des origines de réplication, deux fourches progressent en sens opposés. Chaque brin parental sert de modèle, l'ADN polymérase assemble en face de lui un brin complémentaire. Chaque molécule fille garde un brin ancien et reçoit un brin neuf : la réplication est semi-conservative. Les deux molécules obtenues ont la séquence de la molécule initiale. Le chromosome a désormais deux chromatides sœurs identiques (document 1).

III. La répartition, à la mitose : les chromosomes condensés s'alignent, puis à l'anaphase les deux chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent et migrent chacune vers un pôle. Chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome, donc une copie de chaque molécule.

Conclusion : copie fidèle en phase S, partage égal en anaphase ; les mitoses successives produisent un clone, ensemble de cellules génétiquement identiques, aux rares erreurs de réplication près.

À l'anaphase de la mitose. La copie a eu lieu bien avant, en phase S ; l'anaphase répartit les copies.

Piège : écrire que la mitose « double » l'ADN. Elle le partage ; c'est la réplication qui le double.

Je vois : la nucléine est riche en phosphore, et la pepsine, qui digère les protéines, ne la dégrade pas.

Je sais : les protéines contiennent peu ou pas de phosphore.

J'en déduis que la nucléine n'est pas une protéine : c'est une substance nouvelle du noyau, que l'on appellera plus tard acide nucléique.

Dans la cellule en interphase, seul le noyau est coloré, le cytoplasme ne l'est pas. Dans la cellule en division, seuls les chromosomes sont colorés.

L'ADN est donc localisé dans le noyau, et pendant la division il se retrouve dans les chromosomes.

$\dfrac{6{,}4}{3{,}3}\approx 1{,}94$, soit environ $2$.

Je vois aussi que les trois cellules du corps ont presque la même quantité d'ADN par noyau ($6{,}3$ à $6{,}6$ pg).

Je sais qu'un spermatozoïde a deux fois moins de chromosomes qu'une cellule du corps. La quantité d'ADN varie donc comme le nombre de chromosomes : c'est un argument en faveur d'un ADN constituant des chromosomes.

Les cellules du corps comparées sont supposées en G1 : une cellule en G2 aurait le double.

Homme : $\dfrac{A}{T}=\dfrac{30{,}9}{29{,}4}\approx 1{,}05$ et $\dfrac{G}{C}=\dfrac{19{,}9}{19{,}8}\approx 1{,}01$.

E. coli : $\dfrac{A}{T}=\dfrac{24{,}7}{23{,}6}\approx 1{,}05$.

Les rapports valent $1$ aux erreurs de mesure près : il y a autant de A que de T, autant de G que de C. On le vérifie aussi pour la levure et la drosophile.

Homme : $\dfrac{30{,}9+29{,}4}{19{,}9+19{,}8}=\dfrac{60{,}3}{39{,}7}\approx 1{,}52$.

E. coli : $\dfrac{24{,}7+23{,}6}{26{,}0+25{,}7}=\dfrac{48{,}3}{51{,}7}\approx 0{,}93$.

Contrairement aux rapports du d), celui-ci change d'une espèce à l'autre : l'ADN humain est plus riche en A et T, celui d'E. coli un peu plus riche en G et C.

Piège : écrire $\frac{A}{G}=\frac{T}{C}$ comme une règle. Ce qui est constant, c'est A = T et G = C, pas les proportions entre paires.

Mise en relation : l'ADN, distinct des protéines (doc. 1), est localisé dans le noyau puis dans les chromosomes (doc. 2), et sa quantité par noyau suit le nombre de chromosomes (doc. 3) : c'est un constituant des chromosomes.

L'égalité A = T et G = C, vraie chez toutes les espèces (doc. 4), s'explique si les bases sont appariées deux à deux, A avec T et G avec C, dans une molécule à deux brins : c'est ce qu'ont proposé Watson et Crick en 1953, en s'appuyant aussi sur les clichés de diffraction de Rosalind Franklin.

Le rapport $\frac{A+T}{G+C}$ propre à chaque espèce montre que l'enchaînement des bases diffère d'une espèce à l'autre : l'ADN peut porter une information propre à chaque espèce, écrite dans l'ordre de ses bases.

Conclusion : ces résultats, obtenus sur quatre-vingts ans et par des méthodes différentes, convergent ; aucun ne suffit seul, c'est leur mise en relation qui établit le rôle de l'ADN.

Chaque fourche réplique la moitié du cercle, soit $2{,}3\times 10^{6}$ paires de bases :

Piège : diviser $4{,}6\times 10^{6}$ par $1\,000$ et trouver $77$ min. Les deux fourches travaillent en même temps.

Les milieux des yeux se lisent à $1{,}3$ ; $4{,}0$ ; $6{,}7$ et $9{,}4$ µm. Distance moyenne :

$d=\dfrac{9{,}4-1{,}3}{3}=2{,}7$ µm

$\dfrac{2{,}7\times 10^{3}\ \mathrm{nm}}{0{,}34\ \mathrm{nm}}\approx 7{,}9\times 10^{3}$ paires de bases, soit $7{,}9$ kb.

Chaque œil est centré sur une origine : les yeux de tailles différentes montrent des origines qui n'ont pas démarré au même moment.

Entre deux origines voisines, deux fourches avancent l'une vers l'autre : chacune réplique la moitié du segment.

C'est plus court que la phase S ($3{,}4$ min). Le résultat est compatible avec des origines qui démarrent à des moments différents, ce que suggèrent les tailles inégales des yeux, sans le prouver à lui seul.

Avec une seule origine, deux fourches pour $49\times 10^{6}$ paires de bases :

$t=\dfrac{24{,}5\times 10^{6}}{2{,}6\times 10^{3}}\approx 9\,400\ \mathrm{min}\approx 157\ \mathrm{h}\approx 6{,}5$ jours

Or la phase S dure quelques minutes dans ces noyaux : une seule origine est exclue. C'est le grand nombre d'origines, des milliers sur ce chromosome, qui permet une réplication aussi rapide, malgré des fourches bien plus lentes que celles d'E. coli.

Une origine fait partir deux fourches. Pendant les $8$ h $=480$ min de la phase S, elle réplique au plus :

$2\times 3\,000\times 480\approx 2{,}9\times 10^{6}$ paires de bases

$n\geq\dfrac{249\times 10^{6}}{2{,}88\times 10^{6}}\approx 86{,}5$, donc au moins $87$ origines.

C'est un minimum : il suppose que toutes les origines démarrent au début de la phase S. Les cellules en utilisent en réalité bien davantage, réparties sur toute la phase S ; à l'échelle du génome entier ($6{,}4\times 10^{9}$ paires de bases), le même calcul donne déjà plus de $2\,000$ origines.

Faux. La réplication a lieu pendant la phase S de l'interphase. Quand la mitose commence, chaque chromosome a déjà deux chromatides ; l'anaphase les sépare, elle ne les copie pas.

Faux. Ce serait une réplication conservative, que l'expérience de Meselson et Stahl a écartée (exercice 9).

La réplication est semi-conservative : chaque molécule fille est formée d'un brin de la molécule initiale et d'un brin néoformé.

Vrai. Les deux chromatides sœurs proviennent de la réplication d'une même molécule : chacune a reçu, par complémentarité, la séquence de la molécule initiale.

La copie est très fidèle mais pas parfaite : une erreur de réplication rare peut différencier les deux chromatides, c'est l'objet du chapitre sur les mutations.

Faux. La réplication ne crée aucun gène : elle copie la molécule. Les deux chromatides portent les mêmes gènes, dans le même ordre, en deux exemplaires identiques, destinés aux deux cellules filles.

Faux. Doubler à chaque cycle, c'est multiplier par $2$ à chaque cycle : après $n$ cycles, le nombre de molécules est multiplié par $2^{n}$.

$2^{30}\approx 1{,}07\times 10^{9}$ : un milliard de fois plus, dans le modèle où chaque cycle double exactement le nombre de molécules.

Piège : $2\times 30=60$ revient à AJOUTER deux molécules par cycle. C'est la confusion entre une croissance géométrique et une croissance arithmétique.

Je vois : à G₁, une seule bande, située entre le niveau de l'ADN ${}^{15}\mathrm{N}$ (G₀) et celui de l'ADN ${}^{14}\mathrm{N}$ (témoin). J'en déduis que l'ADN de G₁ a une densité intermédiaire : il contient à la fois de l'azote lourd et de l'azote léger.

Conservatif : la molécule lourde reste intacte et une molécule légère se forme ; deux bandes, lourde et légère.

Semi-conservatif : chaque molécule a un brin lourd et un brin léger ; une seule bande, hybride.

Dispersif : chaque brin est moitié lourd, moitié léger ; une seule bande, intermédiaire.

Le résultat observé, une bande intermédiaire et aucune bande lourde, élimine le modèle conservatif. Il ne permet pas encore de choisir entre les deux autres.

Semi-conservatif : chaque molécule hybride donne une molécule hybride et une molécule légère ; deux bandes, hybride et légère, de même intensité.

Dispersif : chaque brin ne contient plus qu'un quart d'azote lourd ; une seule bande, entre hybride et léger.

On observe deux bandes, au niveau hybride et au niveau léger : le modèle dispersif est éliminé, le résultat est celui que prévoit le modèle semi-conservatif (prévisions ci-dessous).

Méthode : on compare chaque résultat aux prévisions de TOUS les modèles, et on ne retient que celui qui n'est contredit par aucune génération.

À chaque génération, le nombre de molécules double : après 4 générations, $2^{4}=16$ molécules.

Les deux brins lourds de départ sont conservés, chacun dans une molécule différente : $2$ molécules hybrides, et $16-2=14$ molécules légères.

Piège : écrire que la moitié des molécules est hybride à chaque génération. Le nombre de molécules hybrides reste $2$ ; c'est leur PART qui diminue.

À G₃ : $2^{3}=8$ molécules, dont $2$ hybrides, soit $\dfrac{2}{8}=25\ \%$ d'ADN hybride et $75\ \%$ d'ADN léger.

La bande légère est alors trois fois plus intense que la bande hybride.

Le raisonnement est symétrique : à G₁, toutes les molécules sont hybrides ; à G₂, chaque molécule hybride donne une molécule hybride et une molécule entièrement lourde.

On attend donc une bande hybride et une bande lourde, de même intensité, et plus aucune bande légère.

Document 1 : $30$ s à $95$ °C, $15$ s de descente, $30$ s à $55$ °C, $15$ s de montée, $45$ s à $72$ °C et $15$ s pour revenir à $95$ °C : un cycle dure $150$ s, soit $2{,}5$ min.

Pour copier $600$ nucléotides à $1\,000$ par minute : $\dfrac{600}{1\,000}\times 60=36$ s, moins que les $45$ s d'élongation.

Piège : oublier les montées et descentes en température, qui prennent $45$ s par cycle.

La trace contient $25\times 2=50$ copies. Si chaque cycle double le nombre de copies : $N=50\times 2^{n}$.

$50\times 2^{n}\geq 10^{10}$ donne $2^{n}\geq 2\times 10^{8}$. Or $2^{27}\approx 1{,}3\times 10^{8}$ et $2^{28}\approx 2{,}7\times 10^{8}$ : il faut au moins $28$ cycles.

Le document 3 le confirme : la courbe franchit le seuil de $10^{10}$ copies vers le $28^{\text{e}}$ cycle.

$t=3+28\times 2{,}5+40=113$ min, soit $1$ h $53$ min : le délai de $2$ h est tenu.

La marge est faible : $30$ cycles, un réglage courant, donneraient $118$ min.

Je vois : jusque vers $25$ cycles, les points sont alignés et montent d'environ $0{,}3$ puissance de dix par cycle, ce qui correspond à un doublement ($\log 2\approx 0{,}30$). Vers $30$ cycles, la courbe s'infléchit, puis atteint un palier vers $2\times 10^{11}$ copies.

Le doublement suppose des amorces, des nucléotides et une polymérase en excès. Quand ces réactifs du tube s'épuisent, chaque cycle ne copie plus toutes les molécules : le modèle $N=50\times 2^{n}$ ne vaut plus.

Dénaturation à $95$ °C : les deux brins se séparent, comme à la fourche de réplication.

Hybridation à $55$ °C : les amorces s'apparient à chaque brin par complémentarité, au début de la région ; elles fournissent le point de départ dont la polymérase a besoin.

Élongation à $72$ °C : la polymérase allonge chaque amorce en plaçant en face de chaque base du brin modèle la base complémentaire.

Chaque molécule obtenue associe un brin modèle et un brin neuf : c'est une réplication semi-conservative, limitée à la région choisie et répétée en boucle par les variations de température.

Après $3$ cycles, $2^{3}=8$ molécules : les deux brins de départ sont conservés, chacun dans une molécule, donc $2$ molécules sur $8$ contiennent un brin de la molécule de départ, comme les molécules hybrides de Meselson et Stahl (exercice 9).