struttura e funzioni

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ADN
STRUCTURE ET FONCTIONS
COMPOSITION CHIMIQUE
ADN est l’abréviation d’Acide Désoxyribonucléique. L’ADN est une molécule
d’importance biologique fondamentale, car elle constitue le support de l’information
génétique : elle est le principal véhicule du phénomène de l’hérédité. Du point de
vue chimique, l’ADN est un acide faible, constitué d’une série d'éléments appelés
nucléotides. Chaque nucléotide est à son tour un ensemble de trois parties : un
groupe phosphate (constitué d’un atome de phosphore relié à quatre atomes
d’oxygène), le désoxyribose (un sucre à cinq atomes de carbone semblable au
ribose, mais avec un groupe hydroxyle en moins), qui donne son nom à la
molécule, et une base azotée (une molécule complexe faite d’un ou de deux cycles
contenant des atomes d’azote et de carbone). Alors que tous les groupes
phosphate et toutes les molécules de désoxyribose qui composent l’ADN sont
identiques, les bases peuvent être de quatre types, distribuées de façon différente
le long de la molécule. La thymine et la cytosine sont des pyrimidines, c’est-à-dire
des bases constituées d’un seul cycle hexagonal d’atomes d’azote et de carbone.
L’adénine et la guanine sont des purines, faites de deux cycles, l’un hexagonal et
l’autre adjacent de forme pentagonale, contenant tous deux de l’azote et du
carbone. Remarquons que les deux classes fondamentales de bases, les purines
et les pyrimidines, représentent des molécules de dimensions différentes, à cause
de la présence d’un ou de deux cycles. Les purines occupent donc plus d’espace
que les pyrimidines, observation qui constitua l’une des clefs de la découverte de la
structure de l’ADN par James Watson et Francis Crick en 1953.
DOUBLE HÉLICE ET DIFFÉRENTES FORMES DE L’ADN
Une molécule d’ADN à l’état naturel, c’est-à-dire à l’intérieur d’une cellule vivante,
est formée de deux chaînes polynucléotidiques (chaînes formées de nucléotides
dans lesquels se répètent phosphate-désoxyribose-base), appariées et enroulées
en une spirale, pour former une double hélice (voir La composition chimique de
l’ADN).
Bases complémentaires
L’appariement des deux chaînes polynucléotidiques de l’ADN se fait de façon très
simple, grâce à la complémentarité des bases. Parmi les bases puriques, l’adénine
présente deux régions, un atome d’azote et un groupe -NH (azote-hydrogène), qui
peuvent former des liaisons hydrogène, avec des groupes semblables appartenant
à d’autres bases (liaisons chimiques). Des trois autres bases, seule la thymine (une
pyrimidine) est capable de former deux liaisons hydrogène, l’une au moyen d’un
groupe -NH, et l’autre grâce à un atome d’oxygène. L’autre purine, la guanine, est
capable par contre de former trois liaisons hydrogène, grâce à deux groupes -NH et
à un atome d’oxygène. Trois liaisons du même type peuvent être formées

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également par l’autre pyrimidine, la cytosine, dans ce cas également à travers deux
groupes -NH et un atome d’oxygène. Ces propriétés chimiques permettent un
appariement extrêmement spécifique de deux chaînes contiguës d’ADN. En
théorie, une adénine pourrait s’apparier avec une autre adénine, une guanine avec
une guanine, etc. Chimiquement, cela est possible, mais la différence de
dimensions entre purines et pyrimidines le rend physiquement irréalisable. En effet,
si deux pyrimidines s’apparient, les deux chaînes d’ADN se trouvent trop près l’une
de l’autre (les deux pyrimidines sont petites et occupent un volume réduit). Si l’on
apparie les deux purines, d’autre part, les deux chaînes sont poussées dans des
directions opposées (pour créer plus d’espace pour recevoir les deux molécules
plus encombrantes). Dans un cas comme dans l’autre, la molécule d’ADN devient
instable, et les fragiles liaisons hydrogène se brisent.
L’appariement antiparallèle
Chacune des chaînes qui constituent la double hélice présente deux extrémités
différenciées. D’un côté, le groupe phosphate se fixe au carbone 5 du sucre. Cette
extrémité est connue comme 5’ (qui se lit « prime »). L’autre extrémité, dite 3’, se
caractérise par un groupe hydroxyle -OH (un atome d’oxygène et un d’hydrogène),
fixé au carbone 3 du sucre (dans chaque sucre, les atomes de carbone qui
constituent l’anneau sont numérotés de 1 à 5 ou de 1 à 6, selon le type de sucre).
Quand deux chaînes s’apparient pour former une double hélice, l’une s’oriente
5’ => 3’, tandis que l’autre s’oriente 3’ => 5’. Ce phénomène est appelé
appariement antiparallèle, et est fondamental pour permettre la réplication de
l’ADN.
La structure tridimensionnelle
La structure tridimensionnelle de la double hélice d’ADN (voir paragraphe
précédent) est formée de deux spirales enroulées l’une autour de l’autre, avec les
bases accouplées vers l’intérieur de la molécule (l’adénine avec la thymine, et la
cytosine avec la guanine). À l’extérieur des bases, se trouvent les sucres, et à
l’extérieur de ces derniers, les groupes phosphate, avec la charge électrique
négative, responsable de la légère acidité de la molécule. Vue de profil, la double
hélice présente deux sillons en spirale, le gros sillon et le petit sillon. La molécule
est dextrogyre (c’est-à-dire que la spirale tourne vers la droite). La forme d’ADN
que nous venons de décrire s’appelle forme B, c’est celle qui fut découverte par
James Watson et Francis Crick et qui se trouve normalement à l'intérieur de la
cellule.
Différentes formes d'ADN
Il existe différentes formes alternatives d'ADN. L'une des plus intéressantes est la
forme Z. L'ADN-Z est une molécule lévogyre (c'est-à-dire que la spirale tourne vers
la gauche), plus longue et plus étroite que l'ADN-B, et qui présente un seul type de
sillon quand elle est examinée latéralement. L'ADN-Z pourrait être impliqué dans le
processus de régulation génique chez les Eucaryotes.

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RÉPLICATION
Dans l'article où ils annonçaient la découverte de la structure de l'ADN, James
Watson et Francis Crick insérèrent une phrase qui est passée dans l'histoire de la
science comme l'une des plus courtes mais les plus riches de sens jamais
publiées. Les deux biologistes écrivirent que « les implications que la structure de
l'ADN a pour la réplication de l'information génétique » ne leur avaient pas
échappé. En d’autres termes, ils s'étaient bien rendu compte que, une fois la
structure de l'ADN déchiffrée, le mystère de la réplication (ou de la duplication) de
l'ADN serait bientôt élucidé. En fait, les deux chercheurs travaillaient déjà à un
deuxième manuscrit dans lequel ils décrivaient ce mécanisme.
Chacune des deux chaînes polynucléotidiques, qui s’enroulent l’une autour de
l’autre formant une double hélice, sont composées d'éléments complémentaires
deux à deux : une base thymine (T) se lie à une base adénine (A), une base
cytosine (C) à une base guanine (G), et inversement. Pendant le processus de
réplication, qui consiste en la formation de copies de la molécule d’ADN, la double
hélice s'ouvre, les deux chaînes se séparant et servant chacune de matrice pour la
création d’une nouvelle chaîne selon les règles de la complémentarité. Le résultat
final est la formation de deux doubles hélices, chacune contenant l'un des deux
brins originaux (brin « parental ») et un nouveau brin (brin « néosynthétisé »). Cette
réplication est dit semi-conservative (parce qu'elle conserve l'un des deux brins
originaux dans chaque nouvelle copie d'ADN). Elle fut décrite sur des bases
exclusivement théoriques comme le mode de réplication le plus adapté étant donné
la structure de l’ADN.
Les phases de la réplication
Les détails moléculaires du processus de réplication (ou duplication) de l’ADN sont
plus complexes que Watson et Crick ne l’imaginaient. On peut distinguer 5 phases
qui se succèdent sans cesse pendant la réplication de l’ADN :
1) une catégorie spéciale d’enzymes, les hélicases, a pour fonction d’ouvrir la
double hélice parentale au moyen de torsions de la spirale ;
2) d’autres protéines spécialisées, les topo isomérases, se fixent à chacun des
deux brins ouverts, qu’elles stabilisent et qu’elles continuent de dérouler (on peut à
présent distinguer un brin « principal » , le long duquel la nouvelle hélice sera
synthétisée dans la direction 5' => 3', et un brin secondaire, le long duquel la
réplication se fera de façon discontinue et apparemment dans la direction 3' => 5') ;
3) l’hélice complémentaire du brin principal est synthétisée en permanence, grâce à
l’action d’une enzyme spéciale, l’ADN-polymérase, qui lit le brin modèle. Par
exemple, si le brin modèle présente un « C » , l’enzyme prélève un nucléotide
triphosphate complémentaire dans le milieu nucléaire, c’est-à-dire « G » , et
rapproche les deux bases de sorte qu’elles puissent se lier par une liaison
hydrogène (voir Bases complémentaires) ;
4) en même temps, le brin secondaire est synthétisé de façon discontinue
(l’enzyme primase synthétise un fragment court d’ARN tandis que le brin
secondaire est étiré par l’ADN-polymérase, de façon à former une structure connue
sous le nom de fragment d’Okazaki, du nom du découvreur de ce phénomène) ;
5) le fragment d’ARN est ensuite remplacé par de l’ADN grâce à une deuxième
ADN-polymérase. Les différents fragments d’Okazaki ainsi produits le long de
l’hélice secondaire sont littéralement fondus les uns avec les autres par une autre

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enzyme, dite ADN-ligase. Ce processus apparemment compliqué est nécessaire,
car la synthèse d’ADN ne peut se faire que dans la direction 5' => 3'. Étant donné
que l’hélice secondaire est orientée dans le sens opposé (voir L’appariement
antiparallèle), le stratagème des fragments d’Okazaki permet de la répliquer
apparemment dans la direction 3' => 5', au moyen d’une série de morceaux dont
chacun est synthétisé dans la direction voulue 5' => 3'.
EXPÉRIENCES SUR LA RÉPLICATION
La nature semi-conservative du processus de réplication de l’ADN fut proposée par
James Watson et Francis Crick sur des bases purement théoriques. Matthew
Meselson et Franklin Stahl en firent la première démonstration pratique vers la fin
des années 50, en utilisant la Bactérie intestinale Escherichia coli. Meselson et
Stahl disposaient d’une ultracentrifugeuse capable de séparer des ADN selon leur
densité. Et la densité de l’ADN peut être modifiée par l’introduction dans la
molécule de différents isotopes de l’azote : l'isotope 15 (15N) est dit « lourd » par
rapport à l'isotope ordinaire 14 (14N). Les scientifiques ont donc mis en culture les
Bactéries, d’abord sur un milieu ne fournissant que de l’azote lourd, marquant ainsi
l’ADN, puis sur un milieu à azote léger. Après une première génération de
Bactéries, Meselson et Stahl isolèrent une partie de leur ADN et le centrifugèrent.
Ils obtinrent alors de l’ADN présentant une densité inférieure à celle de l’ADN
parental. La deuxième génération produisit deux densités différentes, l’une
identique à celle de la génération précédente, et l’autre encore plus faible. Ces
résultats étaient conformes aux prévisions de la théorie semi-conservative. En
partant de molécules à deux hélices lourdes, une réplication aurait dû produire des
molécules hybrides, avec un brin lourd (le brin parental) et un léger (le brin
synthétisé). Un cycle de réplication supplémentaire aurait produit des molécules
hybrides (lourde-légère) et des molécules entièrement constituées de chaînes
légères, exactement comme l’avaient démontré les deux biologistes.
Une démonstration de la réplication semi-conservative très semblable fut menée
par Herbert Taylor en 1958, en utilisant des chromosomes de fève. Taylor
provoqua un cycle de réplication cellulaire en présence de thymidine tritiée (c’est-à-
dire marquée radioactivement). Celle-ci fut incorporée dans les chromosomes de
fève, dont les quatre bras devenus radioactifs étaient bien visibles au moment de la
métaphase mitotique (la division cellulaire peut être arrêtée à ce stade par une
substance chimique spéciale, la colchicine). Pendant la deuxième division, les
chromosomes à quatre bras ne présentaient cependant que deux bras marqués
radioactivement, tandis que les deux autres étaient normaux. Comme la réplication
avait eu lieu dans un terrain de culture où la thymidine tritiée était absente, ces
résultats étaient en parfait accord avec la théorie de la réplication semi-
conservative.
MUTATIONS
Les mutations constituent un phénomène essentiel dans le domaine génétique.
Elles permettent aux populations d’organismes vivants d’augmenter leur variabilité,
pour que la sélection naturelle puisse agir efficacement et déboucher sur le
processus que nous appelons évolution biologique. En résumé, une mutation est
un événement ayant pour effet de modifier de façon permanente la structure du

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matériel héréditaire : l’ADN. Les biologistes distinguent trois types de mutations :
géniques, génomiques, et chromosomiques.
Mutations géniques
Les mutations géniques sont les plus communes. Elles sont de trois sortes :
substitution d’une base par une autre, délétion d’une base dans la séquence
d’ADN, ou addition d’une nouvelle base en un point quelconque de la séquence
(voir La composition chimique de l’ADN). Bien qu’il y ait quatre types de bases dans
l’ADN (adénine, cytosine, guanine et thymine), elles sont chimiquement semblables
deux à deux. L’adénine et la thymine sont des purines, tandis que la cytosine et la
guanine sont des pyrimidines. Une base donnée peut être transformée par
mutation en n'importe laquelle des trois autres, mais les mutations qui transforment
une purine en une autre purine, ou une pyrimidine en une autre pyrimidine sont
beaucoup plus fréquentes que celles qui transforment une purine en une pyrimidine
(ou inversement). Cela tient au fait que le changement d’une substance en une
autre, de structure chimique semblable, est moins compliqué, et donc plus probable
que le changement en une substance dont la structure est moins ressemblante.
Parfois, une base peut être éliminée par une séquence, ou une nouvelle base peut
être ajoutée. Dans ce cas, la séquence du gène correspondant sera lue de façon
très différente par l’ARN-polymérase, parce que tous les triplets qui constituent les
mots de l’alphabet génétique seront altérés en aval de la mutation (voir code
génétique).
Mutations chromosomiques
Une catégorie plus rare de mutations est constituée de ce qu’on appelle les
mutations chromosomiques. Des morceaux entiers de chromosomes sont éliminés,
ou vont se fondre avec d’autres chromosomes déjà existants. Dans un cas comme
dans l'autre, des dizaines, voire des centaines de gènes se retrouvent déplacés.
Étant donné que la régulation de l’activité d’un gène dépend en partie de sa
localisation dans le génome, les mutations chromosomiques ont en général des
effets extrêmement dramatiques, car elles altèrent la quantité de produit génique,
ou modifient le moment où un gène donné est activé ou désactivé.
Mutations génomiques
Les mutations génomiques ont lieu lorsqu’une configuration chromosomique
entière est répliquée, ou bien lorsque les chromosomes de deux génomes
différents se fondent dans la même cellule. Dans la nature, ces phénomènes, qui
se produisent rarement, sont résumés sous le terme « polyploïdie ». Un individu
polyploïde peut naître de la fusion des gamètes de deux espèces différentes, ou de
la non-réduction du nombre chromosomique pendant la méiose. Les mutations
génomiques sont en général désastreuses pour un organisme, car elles
bouleversent le fragile équilibre des fonctions de milliers de gènes. Malgré cela, il
est fréquent que de nouvelles espèces de plantes voient le jour par polyploïdie,
alors que le phénomène est bien plus rare chez les animaux.