Organisation du noyau et de son ADN

Comme la plupart des autres organites cellulaires, le noyau est entouré d'une membrane appelée enveloppe nucléaire (nuclear envelope). Cette enveloppe membraneuse est constituée de deux bicouches lipidiques adjacentes avec un mince espace fluide entre elles. Des pores nucléaires traversent ces deux bicouches. Un pore nucléaire (nuclear pore) est un minuscule passage pour les protéines, l'ARN et les solutés entre le noyau et le cytoplasme. Des protéines appelées complexes de pores, qui tapissent les pores nucléaires, régulent le passage des matériaux dans et hors du noyau.

À l'intérieur de l'enveloppe nucléaire se trouve un nucléoplasme gélatineux contenant des solutés qui incluent les éléments constitutifs des acides nucléiques. Il peut également y avoir une masse foncée souvent visible au microscope optique simple, appelée nucléole (nucleolus) (pluriel = nucléoles). Le nucléole est une région du noyau responsable de la fabrication de l'ARN nécessaire à la construction des ribosomes. Une fois synthétisées, les sous-unités ribosomales nouvellement formées quittent le noyau de la cellule par les pores nucléaires.

Les instructions génétiques utilisées pour construire et maintenir un organisme sont organisées de manière ordonnée en brins d'ADN. Au sein du noyau se trouvent des filaments de chromatine (chromatin) composés d'ADN et de protéines associées (Figure 3.22). Le long des filaments de chromatine, l'ADN est enroulé autour d'un ensemble de histones (histone). Un nucléosome (nucleosome) est un complexe ADN-histone unique et enroulé. De multiples nucléosomes le long de la molécule d'ADN entière apparaissent comme un collier de perles, où le fil est l'ADN et les perles sont les histones associées. Lorsqu'une cellule est en cours de division, la chromatine se condense en chromosomes, afin que l'ADN puisse être transporté en toute sécurité vers les « cellules filles ». Le chromosome (chromosome) est composé d'ADN et de protéines ; c'est la forme condensée de la chromatine. On estime que les humains possèdent près de 22 000 gènes répartis sur 46 chromosomes.

Figure 3.22 Macrostructure de l'ADN Les brins d'ADN sont enroulés autour d'histones de soutien. Ces protéines sont de plus en plus regroupées et condensées en chromatine, qui est étroitement empaquetée en chromosomes lorsque la cellule est prête à se diviser.

Réplication de l'ADN

Pour qu'un organisme puisse croître, se développer et maintenir sa santé, les cellules doivent se reproduire en se divisant pour produire deux nouvelles cellules filles, chacune avec le complément complet d'ADN tel qu'il se trouve dans la cellule d'origine. Des milliards de nouvelles cellules sont produites chaque jour chez un être humain adulte. Seuls très peu de types de cellules du corps ne se divisent pas, notamment les cellules nerveuses, les fibres musculaires squelettiques et les cellules musculaires cardiaques. Le temps de division des différents types de cellules varie. Les cellules épithéliales de la peau et du revêtement gastro-intestinal, par exemple, se divisent très fréquemment pour remplacer celles qui sont constamment éliminées de la surface par frottement.

Une molécule d'ADN est constituée de deux brins qui se « complètent » dans le sens où les molécules qui composent les brins s'assemblent et se lient les unes aux autres, créant une molécule bicaténaire qui ressemble beaucoup à une longue échelle torsadée. Cette double hélice peut être construite facilement car les deux brins sont antiparallèles, ce qui signifie que les deux brins courent dans des directions opposées. Chaque montant latéral de l'échelle d'ADN est composé de groupes sucre et phosphate alternés (Figure 3.23). Les deux côtés de l'échelle ne sont pas identiques, mais sont complémentaires. Ces deux squelettes sont liés l'un à l'autre par des paires de bases saillantes, chaque paire liée formant un « barreau » ou un élément transversal. Les quatre bases de l'ADN sont l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). En raison de leur forme et de leur charge, les deux bases qui composent une paire se lient toujours ensemble. L'adénine se lie toujours à la thymine, et la cytosine se lie toujours à la guanine. La séquence particulière des bases le long de la molécule d'ADN détermine le code génétique. Par conséquent, si les deux brins complémentaires d'ADN étaient séparés, vous pourriez déduire l'ordre des bases d'un brin à partir des bases de l'autre brin complémentaire. Par exemple, si un brin a une région avec la séquence AGTGCCT, alors la séquence du brin complémentaire serait TCACGGA.

Figure 3.23 Structure moléculaire de l'ADN La double hélice d'ADN est composée de deux brins complémentaires. Les brins sont liés entre eux via leurs paires de bases azotées à l'aide de liaisons hydrogène.

La réplication de l'ADN (DNA replication) est la copie de l'ADN qui a lieu avant que la division cellulaire ne puisse se produire. Après de nombreux débats et expérimentations, la méthode générale de réplication de l'ADN a été déduite en 1958 par deux scientifiques californiens, Matthew Meselson et Franklin Stahl. Cette méthode est illustrée dans la Figure 3.24 et décrite ci-dessous.

Figure 3.24 Réplication de l'ADN La réplication de l'ADN duplique fidèlement l'ensemble du génome de la cellule. Pendant la réplication de l'ADN, un certain nombre d'enzymes différentes travaillent ensemble pour séparer les deux brins afin que chaque brin puisse être utilisé comme matrice pour synthétiser de nouveaux brins complémentaires. Les deux nouvelles molécules d'ADN filles contiennent chacune un brin préexistant et un brin nouvellement synthétisé. Ainsi, la réplication de l'ADN est dite « semi-conservative ».

Étape 1 : Initiation. Les deux brins complémentaires sont séparés, un peu comme on ouvre une fermeture éclair. Des enzymes spéciales, y compris l'hélicase (helicase), déroulent et séparent les deux brins d'ADN.

Étape 2 : Élongation. Chaque brin devient une matrice le long de laquelle un nouveau brin complémentaire est construit. L'ADN polymérase (DNA polymerase) apporte les bases correctes pour compléter le brin matrice, synthétisant un nouveau brin base par base. Une ADN polymérase est une enzyme qui ajoute des nucléotides libres à l'extrémité d'une chaîne d'ADN, formant un nouveau double brin. Ce brin en croissance continue d'être construit jusqu'à ce qu'il ait entièrement complété le brin matrice.

Étape 3 : Terminaison. Une fois que les deux brins originaux sont liés à leurs propres brins complémentaires terminés, la réplication de l'ADN est arrêtée et les deux nouvelles molécules d'ADN identiques sont complètes.

Chaque nouvelle molécule d'ADN contient un brin de la molécule originale et un brin nouvellement synthétisé. Le terme pour ce mode de réplication est « semi-conservatif », car la moitié de la molécule d'ADN originale est conservée dans chaque nouvelle molécule d'ADN. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'ensemble du génome (genome) de la cellule, c'est-à-dire le complément entier de l'ADN d'un organisme, soit répliqué. Comme on peut l'imaginer, il est très important que la réplication de l'ADN se déroule avec précision afin que les nouvelles cellules du corps contiennent exactement le même matériel génétique que leurs cellules parentales. Les erreurs commises pendant la réplication de l'ADN, telles que l'ajout accidentel d'un nucléotide inapproprié, ont le potentiel de rendre un gène dysfonctionnel ou inutile. Heureusement, des mécanismes sont en place pour minimiser de telles erreurs. Un processus de relecture de l'ADN fait appel à des enzymes spéciales qui scannent la molécule nouvellement synthétisée à la recherche d'erreurs et les corrigent. Une fois le processus de réplication de l'ADN terminé, la cellule est prête à se diviser. Vous explorerez le processus de division cellulaire plus loin dans le chapitre.