Alimentation et nutrition   ñ

 Sciences et techniques

       L'aliment, "se nourrir et être rassasié"

Article n°12

Composition des aliments : l'ADN 

L’ADN, l'acide désoxyribonucléique, est un composant des aliments :  macromolécule organique, il est présent dans les cellules de tous les êtres vivants. Toutefois, l’ADN ne constitue pas un tissu et encore moins un organe. Aussi, l’ADN n’est pas un « morceau » organique alimentaire. On ne lui connait pas d’intérêt en alimentation car aucune production végétale, animale ou microorganique n’a pour objectif ou visée de fournir l’ADN comme aliment, c'est à dire un produit comestible tel quel ou après transformation par les technologies alimentaires usuelles. On ne lui connaît pas non plus d’intérêt d’un point de vue nutritionnel nécessitant un apport par l’alimentation de ses composants pour compenser quelque carence, à l’instar de certaines substances organiques comme les acides aminés indispensables ou les acides gras essentiels ou encore les vitamines. On ne connait pas non plus ou pas assez de troubles métaboliques dus aux composants de l'ADN pour insuffisance ou pléthore  d'apport nutritif, à l’instar du glucose dans le diabète. En somme, on ne connaît pas ou pas assez de troubles physiologiques  liés à l’apport alimentaire de l'ADN ou à l’utilisation métabolique de ses composants nécessitant un besoin défini et établi pour prévenir ou soigner.

Cependant, on sait que la médication anti cancéreuse utilise  certaines bases modifiées. Celles-ci sont de synthèse chimique. Quoiqu'elles existent naturellement, leur spécificité alimentaire n'est pas connue ou pas assez. Quoi qu'il en soit, l’ADN est la macromolécule informationnelle « mère » des macromolécules constituants  de l’organisme. De sa fonctionnalité résultent les substances organiques composant l’aliment : les macromolécules (glucides, lipides et protéines),  les pigments ou leurs constituants (en ce qui concerne l’hémoglobine). La fonctionnalité des vitamines chez l'homme en dépend,

L’ADN entrera dans les sciences de l’alimentation et de la nutrition par la porte royale du génie génétique avec la  transgenèse et la mutagenèse et conséquemment la culture de cellules et de tissus.

La production d'OGM est l'exemple de l'activité ludique de l'ADN dans la production de l'aliment. OGM, pour  Organisme Génétiquement Modifié, répond à une définition précise selon la loi (n° 92654 du 13 juillet 1992). Un OGM est « un organisme dont le matériel génétique a été modifié d'une manière qui ne s'effectue pas naturellement par multiplication et/ou par recombinaison naturelle.» 

L'OGM est un organisme vivant et en revanche ses produits ne le sont pas. L'organisme vivant peut être une plante, un animal ou un microorganisme. 

Par opposition à l’inanimé, le vivant est un état d’activité de la substance organisée. Cet état rassemble un certain nombre de phénomènes : le métabolisme, la croissance, la reproduction… Ces phénomènes sont associés à des niveaux d’organisation de la substance organique qu’étudie la biologie, leurs mécanismes sont  étudiés par la biochimie et la physiologie et considérés par la production de l’aliment, la production du médicament, la médecine et la nutrition. Par conséquent, «l’aliment, se nourrir et être rassasié»,  c’est aussi l’ADN.  

Structure

L'ADN est une macromolécule constituée de deux brins de polynucléotides : c'est sa structure primaire. Le nucléotide est un nucléoside phosphorylé. Il constitue l'unité fondamentale du brin d'ADN et de celui de l'ARN. Cette unité fondamentale (Figure 130) comprend une base organique, un ose et une molécule d'acide phosphorique (groupement phosphoryle). 

Figure 130 - Le nucléotide et ses composants 

Dans le polynucléotide, chaque nucléoside est estérifié par deux phosphoryles (Figure 131 ). L'ose du nucléotide  de l'ADN est un dérivé du ribose, le désoxyribose (Figure 130 ). Aussi l'appelle-t-on désoxyribonucléotide et ribonucléotide celui de l'ARN . 

Figure 131 - Deux phosphoryles estérifient le désoxyribonucléoside 

Les quatre bases organiques constituants de l'ADN sont deux bases pyrimidiques la thymine (T), la cytosine (C) et deux bases puriques l'adénine (A) et la guanine (G)   (Figure 132 ) 

Figure 132 - Les principales bases des nucléotides

Il existe d'autres bases dites mineurs au sein de l'ADN. Certaines résulteraient de modification des principales bases précédemment citées  (Figure 133)

Figure 133 - Les bases mineures de L'ADN

L'ADN a une structure secondaire. Les biologistes James D. Watson et Francis H. Crick, en 1953 ont émis l'hypothèse de la structure en double hélice de l'ADN (Maquette de l'ADN et Figure 134).  Cette hypothèse serait la seule qui tiendrait compte des nombreuses propriétés du l'ADN sur lesquelles repose le génie génétique. 

Longtemps après 1953, l'hypothèse des biologistes James D. Watson et Francis H Crick sera confirmée par de nombreuses expériences physiques, biologiques et chimiques. La double hélice présente entre les deux chaînes enroulées l'une autour de l'autre, un petit et un grand sillon. L'hélice proprement dite est formée d'une succession de désoxyribose et de phosphoryle tandis que les bases reliées aux oses sont perpendiculaires à la chaîne et tassés à l'intérieure de la double hélice. Chaque tour de spire a une hauteur de 34 A et comprend 10 bases organiques. Aussi la longueur d'un nucléotide est de 3,4 A.

Figure 134 - La structure double hélice de l'ADN

Les deux hélices sont antiparallèles c'est-à-dire que les liaisons 5' et 3'- phosphodiester sont dans des directions opposées (Figure 135).

Les quatre bases organiques s'apparient deux à deux, par des liaisons hydrogène, selon un ordre invariable qui est le suivant: l'adénine avec la thymine, la guanine avec la cytosine.

Les bases sont complémentaires deux à deux ce qui fait que les deux brins de la double hélice le sont également.

Trois liaisons hydrogène peuvent se former entre la guanine et la cytosine  (G+C) et deux entre l'adénine et la thymine (A+T) (Figure 136)

Figure 136 - Liaisons hydrogène entre les bases de nucléotides des deux brins complémentaires de l'ADN

Par ailleurs, compte tenu de la flexibilité de la molécule d'ADN, celle-ci peut exister sous différentes formes structurales. On connaît deux autres formes structurales différentes de la molécule d'ADN, la forme A et la forme Z.

Elles diffèrent l'une de l'autre et de l'ADN de Watson et Crick (l'ADN B) par la hauteur du tour de spire et le nombre de bases s'y trouvant. 

Ces variations structurales n'affectent généralement pas les propriétés et les fonctions clés de l'ADN définies par Watson et Crick.

Certaines séquences de l'ADN chez les eucaryotes ont cependant des structures particulières : la répétition de bases. Cette répétition est inversée (palindrome) ou en miroir. Elles sont, par  conséquent, responsables des différents motifs structuraux  liés à la double hélice. Ces structures particulières de séquences de l'ADN  semblent apparaître à des sites où prennent place certains évènements du métabolisme  (la réplication et la réparation) et de la fonction de l'ADN (transcription…). La manipulation de l'ADN par le génie génétique est liée à ses propriétés physiques, chimiques, physico-chimiques et à sa fonctionnalité. 

Les propriétés physiques de l'ADN

Le poids moléculaire

Le poids moléculaire (Da) est l’une des expressions de la taille de l'ADN d'une cellule, les autres étant la longueur (mm, mm ou m), le nombre de bases (b) ou de paires de bases (pb). 

Le poids moléculaire peut être déterminé par marquage, culture de cellules sur milieu contenant de la thymidine tritiée et par autoradiographie. Connaissant le poids moléculaire du nucléotide, le nombre de nucléotides et la longueur d'un nucléotide on déduit le poids moléculaire de l'ADN. Il varie selon les organismes. Il est croissant du virus et plasmides (de 10⁷ à 10¹⁰ Da) à la cellule eucaryote (10¹⁰ à 10²³), il est particulièrement élevé chez l’amibe Amoebia dubia (200 fois le PM de l’ADN humain). 

Chez les cellules eucaryotes, en plus du noyau, les organites cytoplasmiques (les mitochondries et les plastes) contiennent de l’ADN dont le poids moléculaire est, selon l’organisme, animal ou végétal (pour la mitochondrie) ou selon l’espèce végétal( pour le plaste) de l’ordre de 10⁸ à 10¹² Da. La détermination du poids moléculaire de l’ADN est utile dans le choix de vecteurs lors des manipulations de transfert de gènes (transgenèse).

La dénaturation

La température dénature la structure secondaire de l'ADN par rupture des liaisons hydrogène entre les bases appariées. ce qui permet de dissocier les deux brins (Figure 137). 

Cette dénaturation  peut être suivie car l'ADN absorbe les UV.  Le spectre d’absorption  UV  de l'ADN, la courbe de la densité optique (DO) en fonction de la longueur d'onde (l), présente un minima à 230 nm et un maxima  à 260 nm. Au-dessus d'une certaine température, cette dénaturation se caractérise par une brusque augmentation de la DO. Elle correspond la  rupture des liaisons hydrogènes. Elle est appelée température de fusion ou Tm. Elle  augmente linéairement à partir de 70°C et est fonction des paires de bases G + C. Ce qui est d’intérêt analytique dans l’évaluation de la qualité  des séquences d’ADN lors de la transgenèse. 

Figure 137 - Suivi de la dénaturation de l'ADN à une température à partir de 70°C en fonction de la longueur d'onde  

La densité de l'ADN est une fonction linéaire du pourcentage G+C (guanine + cytosine). En effet, les trois liaisons hydrogène de l'appariement de ces deux bases déterminent la compacité de la molécule qui est une caractéristique de l’ADN. Elle peut être déterminante lors des opérations de dénaturation réalisées pour obtenir de l’ADN simple brin.  

L'hybridation

En chauffant séparément, jusqu'à dénaturation de la structure secondaire des ADN de différentes espèces puis en les mélangeant on a constaté au refroidissement que les ADN forment des hybrides. (Figure 138). L’hybridation est utilisée pour localiser des séquences. Aussi, elle est d'intérêt en transgenèse.  Elle est réalisée sur de l’ADN simple brin.

Les propriétés chimiques de l'ADN

Les propriétés chimiques de l'ADN sont celles de ces composants : les nucléotides. Leur structure, leur constitution chimique, peut subir des modifications,  responsables des altérations de l'ADN. 

Les altérations non enzymatiques

Les bases organiques constituants des nucléotides peuvent subirent une altération spontanée. La plus fréquente est la désamination de la cytosine en uracile. Une autre réaction affecte plus  les nucléotides à purines que les nucléotides à pyrimidines : la liaison glycosidique entre la base et  l'ose est hydrolysé : c'est la dépurination.(Figure 139). 

Figure 139 - Altérations de base et de nucléotide 

D'autres réactions, comme la délétion de bases  ou la cassure de segments sont provoquées par des radiations ou par des agents chimiques

Les altérations enzymatiques

L'adénine et la cytosine (Figure 140), bases des nucléotides, peuvent être méthylées par des enzymes transméthylases à coenzymes THF (Voir figure 86) ou MetCbl (Voir figure 87)

Figure 140 -  Modification enzymatique de bases 

Des enzymes de la cellule  peuvent dégrader l'ADN. Elles interviennent dans  la réparation de la molécule endommagée par des altérations citées précédemment.  Certaines de ces enzymes, les endonucléases, opèrent à l'intérieur du polynucléotide ce sont les désoxyribonucléases ou DNases. Tandis que d’autres comme les phosphodiestérases, exonucléases, agissent à partir d'une extrémité du polynucléotide. Ces opérations d'excision réparation peuvent être sources d'erreur par substitution de bases. Ces enzymes  sont, in vitro,  des outils de la transgenèse . 

Les conséquences des altérations des nucléotides et de l'ADN en général sont une modification de l'information génétique. Cette altération est utilisée dans la production d’organismes nouveaux dont l’appellation OGM, juridiquement posée, est d’actualité. 

Par ailleurs les altérations enzymatiques ou non de l'ADN et de ses composants servent au séquençage de l'ADN. Depuis les travaux de Sanger (1977), de longues séquences de l'ADN peuvent être déterminées et leur synthèse chimique est aussi rendue possible.  Elle est  entièrement automatisée.

Les propriétés physico- chimiques de l' ADN

Les propriétés physico- chimiques de l' ADN in vitro, sont celles de ses composants et de sa structure. Comme toute molécule biologique, sa dynamique (conformation, solubilité, viscosité, précipité, absorbance UV…) est liée aux caractéristiques physico-chimiques (température, force ionique et pH) du milieu dans lequel il est traité (solvant et/ou support analytique). 

L'ADN est soluble dans l'eau, l'ADN isolé et purifié est un sel, une substance blanchâtre. En milieu aqueux, L'ADN isolé est un polyanion du fait de la dissociation du groupement phosphoryle sodique.

Une augmentation de la force ionique d'une solution d'ADN par ajout de sel chlorure de sodium (Nacl) la rend visqueuse. Par ailleurs, l'ADN étant associé à des protéines, pour l'isoler ces protéines sont précipitées par une forte concentration de sel, c'est le salting out, d'où la complexité de ces méthodes d'isolement et de purification  lorsque la viscosité et la précipitation sont de jeu. 

L'ADN est peu soluble dans l'éthanol et insoluble dans les autres solvants organiques (phénol, chloroforme etc.). L'éthanol et le froid  précipite l'ADN.

In vivo les propriétés physico-chimiques de l’ADN (compacité et expansion) sont liées à son environnement cellulaire : L'ADN dans la cellule

Ces propriétés physico-chimiques sont déterminantes dans la réussite des opérations de transfert de gènes.

L'ADN dans la cellule 

Chez les virus, le support de l'information génétique est en général l'ADN. Ils sont dits « virus à ADN ». Mais il existe aussi des « virus à ARN » très répandus chez les végétaux. Lorsque le support de l'information est l'ADN, celui-ci est le plus souvent circulaire. Notons que chez certains virus l'ADN est simple brin.

Les bactéries contiennent deux types d'ADN. L'un est  chromosomique, circulaire,  il est lié à la membrane cellulaire. Il occupe un grand volume de la cellule. Cet ADN est empilé dans une structure appelée nucléide.   L'autre ADN est libre dans le cytoplasme, il est extrachromosomique. Cette forme d'ADN est aussi appelée plasmide.

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est localisé dans le noyau. La membrane nucléaire sépare le matériel génétique du reste du contenu cytoplasmique. Toutefois, les organites de la cellule eucaryote, les mitochondries, contiennent de l'ADN circulaire. La taille de l'ADN croit du virus à la cellule eucaryote donc en fonction de l'importance de l'information que renferme le génome. 

Le virus a en général besoin d'une information génétique faible puisqu'il  dépend des fonctions de la cellule hôte pour ce reproduire. 

Chez les Eucaryotes, l’importance de l’information n’est pas liée à la taille de l’ADN (l’ADN de l'amibe Amoebia dubia a poids moléculaire 200 fois celui de l’humain). La figure 141 ci-dessous schématise l'ADN dans les cellules eucaryotes et procaryotes. 

Figure 141 - L'ADN des cellules eucaryotes et procaryotes

Compte tenu de la taille de l'ADN, très élevée, pour le volume cellulaire, pour y tenir, la molécule d'ADN doit être compactée (voir les figures 64, 65 et 66) . Ont parle de super enroulement de l'ADN dont un grand nombre de propriétés mesurables ont été déterminées.  Chaque cellule peut dérouler son ADN à l'aide d'un système enzymatique. Le déroulement de l'ADN est défini par un nombre liant topologique (Lk).

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN localisé dans le noyau  associé à des protéines et à des ARN, l’ensemble se spécifie en structures visibles appelées chromosomes au moment de la multiplication cellulaire.  

L'ADN du chromosome

Le chromosome est une structure distincte au moment de la multiplication cellulaire (Figure 142). Cette structure est une condensation de la chromatine laquelle est composée d'ADN, d'ARN et de protéines basiques (les histones) et de protéines non histones. Cinq classes d'histones ont été mises en évidence dans la cellule eucaryote. Elles diffèrent par leur poids moléculaire et leur composition en acides aminés. Certaines sont spécifiques des espèces eucaryotes. Les histones s'associent à l'ADN en des structures appelées nucléosomes qui sont empilés en structures successives d'ordre supérieur rendant le chromosome visible.

Figure 141 - L'ADN du chromosome à la division cellulaire

L'étude du chromosome des cellules eucaryotes a révélé des séquences d'ADN  de 20 à 100 paires de bases hautement répétitives (10 p. 100 de l'ADN), la majeur partie de ces séquences serait reliée à deux structures : les centromères et les télomères schématisés par la (Figure 142)

Figure 142 - Structure d'un chromosome

Chaque chromosome possède un centromère unique qui sert de point d'attachement aux protéines reliant les chromosomes aux microtubules du fuseau mitotique. Cet attachement  est nécessaire au moment de la séparation des chromosomes dans deux cellules filles. Quant aux télomères, ce sont des séquences situées aux extrémités des chromosomes linéaires et qui aident à leur stabilisation.  Des séquences d'une centaine de bases sont modérément répétitives. Elles constituent 20 p. 100 de l'ADN.

Le reste de l'ADN soit 70% du total ont une séquence unique ou faiblement répétitive. Ces séquences renferment la plupart des gènes.

Le caryotype d'un organisme désigne le nombre et la structure des chromosomes . On  distingue deux catégories de chromosomes : les  autosomes notés AA (A pour chacun des deux brins d'ADN qui constituent le chromosome) et les chromosomes sexuels notés XX  chez les femelles (X pour chacun des deux brins d'ADN qui constituent le chromosome) et XY chez les mâles  (X pour l'un des brins d'ADN qui constituent le chromosome et Y pour l'autre). 

L'ADN humain est reparti sur 24 chromosomes différents dont 22 autosomes, et 2 chromosomes sexuels (X et Y). 

Au cours de la division nucléaire (mitose) des cellules les chromosomes sont  distincts et sont doublés, visualisant ainsi les 46 chromosomes humains.

L'ADN extra-chromosomique 

L’ADN extra-chromosomique, chez les cellules eucaryotes normales,  est celui des organites : mitochondries, chloroplastes. Il est de taille inférieure à celui du noyau. Constitué d’une seule molécule double brin, il est circulaire et non associée à des protéines. Pour son fonctionnement, l’organite cellulaire, mitochondrie ou chloroplaste, a besoin de protéines, les enzymes, elles sont de deux sources : l’une cytoplasmique et l’autre l’expression de  leur ADN

De nombreuses bactéries contiennent des plasmides, minuscules morceaux d'ADN extra‑chromosomique, de taille beaucoup plus réduite que l'ADN bactérien et de forme circulaire. Ces morceaux d’ADN qui portent généralement des gènes bactériens se répliquent indépendamment de celui de l’hôte. Certains portent des gènes codants pour quelques caractères de la cellule, d'autres sont responsables de la synthèse de toxines, de la fabrication d'enzymes augmentant le métabolisme cellulaire. Le plasmide peut, dans certains cas, s'intégrer au chromosome bactérien. Par ailleurs, les bactéries peuvent être infectées par des phages (virus). Leur ADN encapsulé (contenu dans la tête du phage) est injecté dans la bactérie et peut intégré l'ADN chromosomique (Figure 143)     

Figure 143 - Cellule bactérienne et phage

Plasmides et phages sont beaucoup utilisés dans les phénomènes de transformations de cellules, notamment pour  fabriquer des organismes génétiquement modifiés (OGM). 

Le gène dans l'ADN

Au sens biologique du terme un gène est une portion de chromosome qui détermine ou affecte un caractère unique visible (phénotype).

Au sens moléculaire, les gènes sont des segments d'ADN  qui codent pour des chaînes polypeptidiques et des ARN. 

Aussi, le gène, unité fonctionnelle de l'hérédité, est un segment de l'ADN qui porte l'information nécessaire à la production de  chaînes polypeptidiques et d'ARN (ARN des ribosomes et ARN de transfert).  L'information nécessaire à la production de  chaînes polypeptidiques est transcrite en ARN messager. 

Toutefois, beaucoup de gènes eucaryote comportent  un ou plusieurs séquences d'ADN  qui ne ne sont pas transcrits, elles ne codent pas en acides aminés d'un peptide. Ces séquences sont appelées introns. Tandis que celles qui codent sont appelées exons. 

Le nombre, la longueur en paires de bases, la position sont variables d'un gène à l'autre (Figure 144). Ainsi le segment d'ADN constituant le gène de l’ovalbumine a 5 exons et introns, tandis que celui du cytochrome b en a 7. 

Figure 144 - Séquences codantes et non codantes d'ADN

Le métabolisme de l'ADN

L'ADN , support de l'information génétique, toute  modification le concernant peut affecter son intégrité et entraîner celle des constituants cellulaires et par conséquent celle de l'individu. Deux phénomènes décrivent le métabolisme de l'ADN : la réplication qui est la synthèse de l'ADN et la réparation qui se produit suite à une dégradation de la molécule.

La réplication de l'ADN

Biosynthèse des composants  de l'ADN 

Pour que la réplication se fasse, la cellule doit disposer de tous les composants du nucléotide, l'unité fondamentale de l'ADN. L'alimentation en apporte. Toutefois, l'organisme peut synthétiser les noyaux puriques et pyrimidiques (Figure 145) à partir de différentes molécules (acides aminés, CO2, acides organiques). L'ose, le ribose apporté par l'alimentation est aussi un produit du métabolisme glucidique (dégradation du glucose par le cycle des pentoses phosphate). 

Figure 145 : Précurseurs des noyaux puriques et pyrimidiques 

L'assemblage de bases (puriques et pyrimidiques) ou leurs précurseurs et de l'ose (ribose 5- phosphate) donnant le nucléotide se fait par diverses enzymes dont les transférases:  les enzymes à coenzyme THF et à coenzyme cobalamine (voir figure 88 l’adénosyl cobalamine ou AdoCbl)

Dans la biosynthèse des désoxyribonucléotides (le nucléotide de l'ADN),  le désoxyribose est la réduction du ribose, elle est  faite directement sur le nucléotide.

Le phosphoryle entre deux nucléosides à pour origine le groupement phosphate (PO4)  des composés phosphorylés ou phosphatés.

La réplication de l'ADN est semi-conservative 

Pour que la molécule synthétisée comporte l'intégrité de l'information, il faut que cette synthèse soit un processus « semi conservatif ». C'est à dire qu'un brin synthétise, doit être complémentaire d'un des brins de la double hélice.  

L'hypothèse formulée par Watson et Crick fut concluante par l'expérience de Meselson et Stahl sur la bactérie E. coli. L'expérience de Cairns sur cette même bactérie apporta l'information que la réplication concerne les deux chaînes et commence en un point unique de la molécule, l'origine. 

La  cartographie de dénaturation technique utilisée par Ross Inman et ses collaborateurs permit de déterminer la nature de cette origine. Elle est une séquence riche en paire de base A=T. Cette technique prouva également que la réplication est bidirectionnelle. Elle s'effectue dans la direction 5'--->3'. Aussi, l'un des brins est répliqué de manière continu tandis que l'autre l'est par petits fragments.  Ces morceaux de l'ADN nouvellement synthétisés, les fragments d'Okazaky seront ensuite reliés les uns aux autres. Ainsi la synthèse de l'ADN donne deux nouveaux brins. L'un est  issu de la synthèse continue ou brin directeur et l'autre de la synthèse discontinue ou brin retardé (Figure 146).  

Figure 146 - L'ADN, réplication  semi-conservative

La réplication de l'ADN met en œuvre de nombreux enzymes et facteurs protéiques. Les polymérases sont les enzymes qui répliquent chacun des brins de l'ADN. Chez la bactérie E.coli, les polymérases sont au nombre de trois et la réplication proprement dite implique principalement l’ADN polymérase III.  Compte tenu de l'importance de l'intégrité de l'ADN, les polymérases sont précises. 

La réplication de l'ADN  réalisée In vitro est d'intérêt en transgénèse.  Pour fonctionner, les polymérases ont besoin d'une matrice et d'une amorce qui sont des séquences de nucléotides. Le nombre de nucléotides ajouté avant qu'une polymérase se dissocie définit sa processivité.

La réplication comporte trois phases principales qui sont l'initiation, l'élongation et la terminaison (Figure 147).

Figure 147 - Les étapes de la réplication

L'initiation : chez la bactérie, l'origine de la réplication est unique, c'est une séquence de nucléotides précise et quelquefois caractéristique du genre. Chez E. coli , au moins huit protéines et enzymes sont impliquées de la reconnaissance de la séquence origine de   la synthèse et de celle de l'amorce qui est un brin d'ARN  au début de la réplication. L'initiation est la seule étape régulée de la réplication.

L'élongation est constituée de deux mécanismes : la synthèse du  du brin directeur et celle du brin tardif. Celui-ci étant synthétisé par fragments qui seront ensuite reliés les uns aux autres. Cette étape implique une quinzaine de protéines et d'enzymes qui interviennent du positionnement de nucléotides au déroulement de l'ADN et au superenroulement.

La terminaison. On sait très peu de choses sur cette dernière étape. Une Topo isomérase, enzyme impliquée dans le superenroulement intervient au moment de la séparation des deux brins. On sait également peu de choses sur la façon dont sont réparties les molécules de l'ADN dans les cellules filles au moment de la division.

La réplication de l'ADN de la cellule eucaryote est similaire. La molécule de l'ADN du chromosome est plus grande. Il y a plusieurs points de réplication. Et les événements qui gouvernent cette réplication sont plus complexes et sont peu élucidés à ce jour, quoique, régulièrement de nombreux points sont éclaircis.

Enfin, la réplication concerne toute la molécule de l'ADN de la cellule en même temps et se fait une seule fois dans la vie d’une cellule, au moment de la division cellulaire.

La réparation

Les molécules de l'ADN sont irremplaçables. Le maintient de l'intégrité de l'ADN est lié aux systèmes de réparation (Figure 148). 

Figure 148 - La réparation de l'ADN

Les erreurs d'appariement au cours de la réplication, les altérations  de nucléotides doivent être réparées. 

Cette réparation se fait par excision et remplacement de bases ou de nucléotides. La réparation peut être directe,  lorsqu'elle se fait au cours de la réplication. La réparation fait intervenir diverses enzymes qui sont les DNases, les endonucléases les exonucléases, les phosphodiestérases, l’ADN polymérase III

Lorsque la lésion est importante la réparation peut concerner une séquence de nucléotides elle devient alors sujette à des erreurs. Les lésions non réparées bloquent la réplication. 

La recombinaison, réarrangement de fragments d'ADN, est également une voie de réparation. La recombinaison est dite homologue lorsque le réarrangement intervient entre deux quelconques fragments d'ADN présentant des séquences   homologues. C'est ce qui se produit au cours de la méiose chez les cellules eucaryotes et contribue à générer la diversité génétique.

La recombinaison  peut concerner des éléments non homologues.  Il s'agit de la transposition de segments d'ADN, liée à leurs propriétés de s'insérer  à un site du génome ou de s'exciser de leur  site (un peu comme agissent certains virus). La transposition  est dite  directe lorsque les segments  d'ADN se déplacent d'un emplacement à l'autre sur le chromosome. La transposition est dite  réplicative lorsqu'un segment d'ADN est répliqué en plusieurs copies et inséré à des sites cibles. Ces réarrangements que sont les transpositions concernent des séquences spécifiques et/ou des points cibles spécifiques du génome sont des recombinaisons spécifiques. Dans tous les cas,  le déplacement des fragments est régulé, puisqu'une transposition au hasard peut tuer la cellule. 

Qu'il s'agisse de recombinaison homologue ou de transpositions, le réarrangement de fragments d'ADN est toujours une opération spécifique de l'ingénierie organique. Il concerne des fragments spécifiques, des sites spécifiques ou une étape spécifique du cycle cellulaire ou répond à quelque demande "vitale" de la cellule et par conséquent de l'organisme.  

Les mutations 

La mutation est toute modification portant sur une séquence l'ADN et pouvant induire des changements visibles (phénotype) ou fonctionnels (production de métabolites) de l'organisme.

La réplication de l'ADN peut être source de mutation lorsqu'elle contient des erreurs. Certaines sont réparées correctement,  d'autres ne le sont pas lorsqu'il y a ajout d'unités (la nucléotide) ou encore certaines réparations contiennent d'autres  erreurs dont les substitutions.

 L'ADN peut subir des  altérations non seulement au cours de la réplication,  mais aussi par le contact de nombreux agents qui sont physiques (radiations), chimiques et environnementaux (modification physico - chimique du milieu, infections... ) ou par un dysfonctionnement spontané de quelque ingénierie enzymatique.   

Lorsque l'altération est importante, la réparation peut concerner une séquence de nucléotides. Elle est effectuée par des recombinaisons et réarrangement de fragment d'ADN (recombinaison homologue, transposition)  qui,  non seulement ne sont pas exempt d'erreurs, mais aussi, tout comme l'ensemble du génome, peuvent subir des modifications au gré de leur environnement.  

Les réparations intervenant suite aux différentes erreurs au cours de  la réplication ou des réparations d'ADN altéré peuvent aussi être sources d'erreurs, qui, lorsqu'elles ne sont pas létales pour la cellule peuvent être bénéfiques, non seulement dans la production de quelque métabolite d'intérêt (agronomie, pharmacie, recherche et développement biomoléculaire...)  et, voire même,  contribuer à générer la diversité génétique.

Dégradation de fragments d'ADN et de nucléotides défectueux

Une cellule qui ne peut se reproduire meurt. Ses constituants dont l'ADN et ces composants  sont dégradés par plusieurs enzymes. Elles sont en général sélectives, mais peuvent être  électives et actives en fonction du pH. 

L'ADN est hydrolysé en oligonucléotides par des endonucléases, les désoxyribonucléases ou DNases et en nucléotides par les exonucléases (Figure 149) . 

Les endonucléases, les désoxyribonucléases ou DNases, les plus connues sont la DNase I (isolée du pancréas)  et la DNase II (isolée du thymus). Toutes deux réalisent les coupures au sein de la molécule d'ADN. 

La DNase I incise (une incision est une coupure qui ne libère pas forcément de fragment contrairement à une excision) entre deux nucléotides l'un à base purine et l'autre à base pyrimidique et entre le phosphoryle et l'hydroxyle du carbone 3' du désoxyribose. Quant à la DNase II, elle fait la coupure entre deux nucléotides sans distinction de la structure chimique des bases. Cependant, elle hydrolyse entre un phosphoryle et l'hydroxyle du carbone 5' du désoxyribose.   

Les exonucléases, les phosphodiestérases,  une catégorie de phosphoestérases hydrolysent le brin d'ADN ou les oligonucléotides de l'hydrolyse des DNases par les extrémités détachant les nucléotides.

D'autres enzymes dégradent le nucléotide en nucléoside et groupement phosphate ou en base  et résidu 5 - désoxyribose phosphate (Figure 150 ).

Figure 150 - Dégradation d'un nucléotide

Le produit terminal de la dégradation des  bases puriques (l'adénine et la guanine) est chez l'homme l'acide urique (Figure 151). Il résulte de l'action  d'enzymes désaminases et oxydases. 

Figure 151 - Dégradation des bases puriques

La cytosine, la thymine et l'uracile(base d'ARN) sont dégradées en bêta alanine (Figure 152)

Figure 152  Dégradation des bases pyrimidiques 

Lorsque la dégradation porte sur des segments ou éléments  d'ADN défectueux et remplacés par divers procédés de réparations, nucléotides, nucléosides, 5'désoxyribose phosphate, groupement phosphate, bases  et produits finaux  comme ceux de la désamination (groupement amine) ou de la décarboxylation (groupement carboxyle) ou encore de la déméthylation (groupement méthyle) peuvent réintégrer d'autres voies métaboliques et satisfaire quelque besoin vital de la cellule. Aussi, la (figure 32) peut  être élargie (Figure 153). La figure 152 est une vue  d'ensemble du raccordement du catabolisme des principales macromolécules organiques (glucides, lipides, protéines et ADN)  et les synthèses associées)... Suite