ADN

Acide désoxyribonucléique et Acide
ribonucléique
Acide désoxyribonucléique : ADN
L'ADN, sigle de acide désoxyribonucléique, est une longue molécule que l'on retrouve dans
tous les organismes. L'ADN est présent dans le noyau des cellules eucaryotes, les cellules
procaryotes, dans les mitochondries ainsi que dans les chloroplastes. Les organismes vivants
les plus simples, les virus, sont constitués essentiellement d'une enveloppe (elle-même
constituée de protéines) et d'un brin d'ADN (ou d'ARN). On dit que l'ADN est le support de
l'hérédité car cette molécule a la faculté de se reproduire et d'être transmise aux descendants
lors des processus de reproduction des organismes vivants. Il est à la base de processus
biologiques importants aboutissant à la production des protéines. D'un point de vue chimique,
l'ADN est un acide faible.
Un peu d’histoire
Découverts en 1868 par le biologiste suisse Friedrich Mischer dans les noyaux cellulaires,
d’où leur nom, sont également présents dans le cytoplasme, les acides nucléiques sont des
molécules d’origine naturelle qui jouent un rôle fondamental dans la vie et la reproduction des
cellules animales, végétales et microbiennes.
Tels qu’on peut les isoler des tissus animaux ou végétaux, ces acides se présentent sous
forme de molécules géantes ou de macromolécules, dont la masse moléculaire est comprise
entre 25 000 et plusieurs centaines de millions. Les acides nucléiques sont constitués par
l’enchaînement de nombreux motifs relativement simples, dissociables par hydrolyse; chacun
d’eux comporte une base azotée (purique ou pyrimidique), un sucre à cinq atomes de carbone
ou pentose (ribose ou désoxyribose) et un acide phosphorique: ce sont donc des esters
phosphoriques complexes que l’on nomme nucléotides. La structure du pentose est à
l’origine de la classification des acides nucléiques naturels en deux catégories fondamentales:
d’une part, les acides ribonucléiques (ARN) contenant comme pentose le ribose ; d’autre part,
les acides désoxyribonucléiques (ADN) contenant comme pentose le désoxyribose .
Au début des années 50 et on ne sait presque rien sur l'ADN. Comment cette molécule peutelle se reproduire? Comment peut-elle dicter à la cellule comment synthétiser des protéines?
On n'en sait rien, mais on se doute que si on découvre comment est faite la molécule, quelle
est sa structure exacte, on pourra alors répondre à ces questions. Une course s'engage alors
entre différentes équipes à travers le monde. La première équipe qui parviendra à mettre en
évidence la structure de l'ADN est assurée d'un prix Nobel. C'est l'Anglais Francis Crick et
l'Américain James Watson qui remporteront cette course au Nobel en publiant, en 1953, dans
la revue Nature, un court article qui révolutionnera la biologie à partir de travaux effectués au
laboratoire Cavendish de Cambridge, le 25 avril 1953, que James Watson, alors âgé de 25 ans,
Francis Crick, physicien de formation. Il faut ajouter à ces noms celui de Rosalind Franklin,
qui n'obtint pas le prix Nobel pour diverses raisons. Ces travaux, ont établi par rayons X la
structure en double hélice de l'ADN.
Image d’un cliché de diffraction de rayons X par l’ADN : une structure en hélice s’en
déduit.
La double hélice : complémentarité des brins d'ADN
L'ADN (acide désoxyribonucléique) est une macromolécule biologique formée par deux
chaînes complémentaires qui s'emboîtent tout en s'enroulant l'une autour de l'autre pour
former une double hélice droite . Chaque chaîne est constituée d'un squelette formé de
phosphodiesters et de sucres (le ribose pour l’ARN, désoxyribose pour l’ADN ) en alternance.
Chaque sucre porte en plus une "lettre" (un groupe chimique appelé "base azotée") du livre
génétique; ces lettres sont A (pour adenine), T (thymine), G (guanine) et C (cytosine). C'est le
fait que les lettres A et T, ainsi que G et C, peuvent s'appareiller entre elles qui permet la
complémentarité des deux chaînes formant la double hélice. La complémentarité A-T et G-C
fait que l'on parle alors de "paires de bases".
La double hélice, avec les molécules d’eau qui lui sont associées a un diamètre de 20 à 25A°.
Sa longueur de persistance (longueur sur laquelle un polymère est à peu près rectiligne) est
de 500 A°. Avec le caractère acide de l’ADN la molécule dans l’eau est un ion négatif : il y a
une charge moins par paire de bases.
Nucléotides et leurs polymérisation : la chaîne formée est orientée de 3 vers 5 (on dit chaîne
3’-5’) en numérotant les atomes de carbones du cycle central (C1 à C5)
Les quatre bases : deux purines et deux pyrimidine
Appariement des bases par paires complémentaires à l’aide de liaisons hydrogènes. Les deux
brins antiparallèles d'ADN sont toujours étroitement reliés entre eux par des liaisons
hydrogène formées entre les bases complémentaires A-T et G-C. Ces deux brins d'ADN sont
dit complémentaires car les purines (Adénine et Guanine) d'un brin font toujours face à des
pyrimidines de l'autre brin (Thymine et Cytosine). Les nucléotides sont complémentaires entre
eux. Ainsi, l'adénine est complémentaire à la thymine et la guanine est complémentaires à la
cytosine. Deux liaisons hydrogène retiennent ensemble la paire A-T et trois retiennent la
paire G-C.
Les deux brins antiparallèles d'ADN sont toujours étroitement reliés entre eux par des liaisons
hydrogène formées entre les bases complémentaires A-T et G-C. Ces deux brins d'ADN sont
dit complémentaires car les purines (Adénine et Guanine) d'un brin font toujours face à des
pyrimidines de l'autre brin (Thymine et Cytosine). Les nucléotides sont complémentaires
entre eux. Ainsi, l'adénine est complémentaire à la thymine et la guanine est complémentaires
à la cytosine. Deux liaisons hydrogène retiennent ensemble la paire A-T et trois retiennent la
paire G-C.
La double hélice 3’-5’ dans un sens et 5’-3’ dans l’autre, avec les paires de bases
complémentaires C-G et T-A
MECAMISMES GENETIQUES FONDAMENTAUX
I)
ADN et ARN
Chez les procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau), tels que les bactéries, l’ADN est
présent sous la forme d’un seul chromosome circulaire superenroulés (à la manière d'un
cordon téléphonique). Cet ADN circulaire peut se compacter encore plus en faisant des superhélices et ceci va donner une structure nommée Nucléotide.
Chez les eucaryotes, l’ADN est généralement sous forme de plusieurs chromosomes linéaires.
Cet ADN se situe dans le noyau et lorsqu’il est compacté et associé à des protéines telles des
histones, il se nomme chromatine.
Même si pour les procaryotes et les eucaryotes, l'ADN ne se trouve pas sous la même forme,
il renferme dans les deux cas l'information génétique, c'est à dire que des zones de l'ADN
appelé “gène” code pour les protéines. Mais comment une séquence d'acides nucléiques peutelle coder une séquence d'acides aminés ? En fait, lorsque la cellule aura besoin de protéines
elle va transcrire, c'est à dire recopier une partie de ses gènes (i.e. les gènes codant pour les
protéines d'intérêt) sous forme d'ARN grâce à une enzyme nommée “ARN polymérase. Cette
enzyme va produire un ARN messager (ARNm) identique à la séquence d'ADN avec
simplement le remplacement des bases thymines par des bases uraciles. L’uracile ressemble à
la thymine en y remplaçant le groupe CH3 par un simple H. L'existence de l'ARNm a été
démontrée par Jacques Monod et ses collaborateurs, ce qui lui valut le prix Nobel de
Médecine en 1965. A l'inverse de l'ADN, l'ARNm n'est pas sous forme de double hélice et il
adopte des structures secondaires complexes. Il est moins stable que l'ADN, c'est à dire qu'il
est dégradé plus facilement, de par la présence d'un ribose à la place d'un désoxyribose. Le
ribose est très sensible à l'hydrolyse alcaline tandis que le désoxyribose y est totalement
insensible.
II)
CODAGE
Quelle est la nature de l’information génétique contenue dans l’ADN? Le problème n’a
actuellement été résolu que pour les gènes codant pour les protéines. Cela signifie que l’on
a montré comment la séquence des nucléotides de l’ADN contenu dans un gène pouvait
déterminer la séquence des acides aminés contenus dans la protéine codée par le gène.
C’est le problème du code génétique. Le problème a été d’abord étudié par F. Crick.
Le codon génétique correspond à l’enchaînement ordonné de trois bases nucléotidiques (ou
triplet) permettant de définir un code d’un acide aminé. Le codage suivant: séquence
nucléotidique à séquence protéique est assuré par le système de traduction présent dans le
cytosol cellulaire. Il faut noter qu’il existe environ 20 acides aminés différents dans les
protéines et comme il existe quatre bases nucléotidiques différentes, on en déduit qu’il faut
un enchaînement au minimum de trois bases avec 43 = 64 triplets différents possibles ou
codons pour définir l’ensemble des acides aminés. Cela signifie que plusieurs triplets
codent pour un même acide aminé. En fait trois des triplets ne codent pas pour des acides
aminés mais sont placés à la fin de chaîne partie codante des gènes pour signifier la fin de
la protéine. Le code est presque universel, ce qui signifie qu’il est le même pour tous les
êtres vivants, de la bactérie à l’homme. Cependant l’ADN des mitochondries, qui code pour
quelques protéines et ARN mitochondriaux, utilise un code légèrement différent de celui de
l’ADN nucléaire et bactérien.
Notez que certains acides aminés peuvent être représentés par plusieurs
combinaisons différentes de trois nucléotides. Ainsi, les triplets UUA, UUG, CUU, CUC,
CUA et CUG correspondent tous à l’acide aminé leucine.
III)
REPLICATION DE L’ADN
La synthèse de l’ADN ou réplication est un processus semi-conservatif. Avant la division de
la cellule, les deux chaînes de l’ADN se séparent et chacune sert de matrice pour la synthèse
de la chaîne complémentaire. Les paires de bases sont désappariées par rupture des liaisons
hydrogènes de l'ADN par une enzyme appelée ADN polymérase. Une fourche de réplication
va alors se former donnant 2 brins d'ADN distincts qui, par le biais de la complémentarité
vont édifier deux nouvelles molécules d'ADN composées chacune d'un brin de l'ancienne
molécule et d'un brin nouvellement formé.
Ainsi s’explique la nécessité de cette structure en double chaîne de l’ADN et le fait que des
cellules provenant de la division d’une même cellule ont des ADN identiques et identiques
à celui de la cellule mère. La polymérisation des nucléotides est catalysée par une enzyme,
l’ADN-polymérase. Le premier temps de la réplication est catalysé par une enzyme de
déroulement qui sépare les deux chaînes. Cependant l’ADN-polymérase ne fonctionne que
dans une direction, de 5' vers 3'. Les deux chaînes étant antiparallèles, la synthèse se fait
dans des directions opposées. En fait la synthèse se fait par petits fragments d’ADN, qui
sont synthétisés de 5' vers 3'. On a récemment montré qu’avant la synthèse de ces
fragments, il se synthétise des petits fragments d’ARN qui serviront de point de départ pour
la synthèse des fragments d’Okazaki. Dès que la synthèse de ces fragments s’achève, les
fragments d’ARN sont détruits pour être remplacés par de l’ADN. Les fragments
deviennent contigus, si bien qu’ils peuvent être joints grâce à un ADN-ligase qui assure la
continuité de l’ADN.
Il existe un autre mécanisme de synthèse de l’ADN, c’est la réparation. L’ADN peut
subir des lésions, en particulier sous l’effet des radiations ultraviolettes, il peut également
se produire des erreurs au cours de sa synthèse. Il existe dans les cellules un système de
réparation qui agit en deux temps. Dans un premier temps la partie de la chaîne d’ADN
anormale est excisée. Dans un deuxième temps elle est remplacée par un fragment d’ADN
normal qui se synthétise en utilisant la chaîne normale comme matrice. Ce système de
réparation est déficient dans certaines maladies héréditaires. Ces malades sont très sensibles
aux brûlures solaires et ils sont très fréquemment sujets à des cancers de la peau.
IV)
TRANSCRIPTION en ARN
Les ARN copient l’information génétique et la traduisent en protéines. Ce sont donc les
intermédiaires de l’expression génétique.
Transcription en ARN dans le sens 5’ vers 3’
ARN messagers
Les ARN messagers copient au niveau de chaque gène une chaîne d’ADN. Le produit de
cette synthèse est une molécule complexe qui va subir des modifications avant de prendre
sa structure définitive. La molécule d’ARN se fixe sur la partie antérieure du ribosome. Le
ribosome va glisser le long du messager en donnant naissance à la chaîne protéique. Les
codons se fixent successivement sur un site spécifique du ribosome. Un aminoacyl-ARN-t
se combine par son anticodon au triplet du messager (fig. 13). Au fur et à mesure du
glissement du ribosome, les différents aminoacyl-ARN-t viennent se fixer successivement
sur les triplets d’ARN et les acides aminés se combinent les uns aux autres, permettant la
formation de la protéine. La partie codante de l’ARN messager se termine toujours par un
des trois codons «fin de synthèse».
ARN de transfert
Chaque ARN de transfert se combine à un acide aminé grâce à une enzyme, l’aminoacylARN-t synthétase. Il y a une spécificité stricte de chaque enzyme et de chaque ARN-t pour
un acide aminé. L’anticodon des ARN-t permet à l’aminoacyl-ARN-t de se combiner au
triplet caractéristique de l’acide aminé. Les ARN-t sont donc des intermédiaires
obligatoires entre les acides aminés et l’ARN messager.
ARN ribosomaux
Ce sont les plus abondants des ARN. Leur rôle exact est mal connu. Ils interviennent dans
la structure des ribosomes et jouent un rôle dans la fixation des ARN messagers.
La synthèse de l’ARN, ou transcription , se fait au contact de l’ADN par formation de la
chaîne complémentaire d’une des deux chaînes de l’ADN. La réaction peut être réalisée in
vitro en mettant dans le milieu l’enzyme appelée ARN-polymérase, les quatre nucléosides
triphosphates et un peu d’ADN dont une chaîne sera copiée sous forme d’ARN. In vivo , la
synthèse d’ARN est précédée du déroulement d’une petite région de l’ADN qui permet de
séparer sur au moins la longueur du gène les deux chaînes de l’ADN. Un problème
essentiel est le mécanisme qui permet la transcription du gène entier et non pas la copie
d’une région quelconque de l’ADN ne correspondant pas à un gène entier. Chez les
bactéries, on a montré qu’il existait dans l’ARN-polymérase une sous-unité, appelée s, qui
permet à l’enzyme de reconnaître une région appelée promoteur, adjacente au gène. Chez
les animaux, le mécanisme de reconnaissance par l’enzyme de la partie de l’ADN
correspondant au début du gène est moins bien connu. Il est possible que les boîtes TATA
et CAT jouent un rôle.
V)
SYNTHESES DES PROTEINES
Régulation