dossier 2

• La découverte de la structure à double hélice, de
l’ADN :
• ADN:abréviation d'acide désoxyribonucléique:
La fonction de l'ADN est de fabriquer les protéines dont l'organisme a
besoin. Les protéines ainsi formées ont différentes fonctions que l'on peut
simplifier en les ramenant à deux essentielles :
1.
l'autonomie de l'organisme (sa croissance, sa défense)
2. sa reproduction
•
Pourquoi une double hélice ?
La forme en double hélice est justifiée par l'existence de nombreuses
interactions dans la molécule. Une interaction existe tout d'abord au sein même
d'une simple chaîne, ce qui va avoir pour conséquence un repliement en hélice. Un
deuxième processus existe entre chaque hélice puisque les bases peuvent faire
face à face et se stabiliser par liaisons hydrogène.
Il existe une interaction à
deux liaisons hydrogènes entre
Adénine et Thymine
Il existe une interaction à trois liaisons
hydrogènes entre Guanine et Cytosine
Deux à deux, les bases azotées sont donc
associées par liaisons hydrogènes. Ceci
assure la stabilité de l'ensemble.
On peut résumer les associations entre bases par le tableau suivant :
•
Bases
puriques
Nombre de
liaisons H
Bases
pyrimidiques
A
2
T
G
3
C
La double hélice structurelle de l'ADN:
• Structure de l'ADN:
L'exemple de l'ADN est intéressant car il montre l'interaction très spécifique entre
deux molécules, les deux brins d'ADN, et met en jeu des interactions hydrophobes et
des contacts de Van der Waals (les forces d'empilement), ainsi que des liaisons H
(l'appariement des bases). Il permet aussi d'introduire la notion de polymère et de
monomères, à la base de la structure de plusieurs types de macromolécules
biologiques (protéines, acides nucléiques et polysaccharides), et la notion de
séquence informationnelle.
Ce document présente une toute petite portion d'une molécule d'ADN en double
hélice. Pour donner une idée de la longueur que peuvent atteindre les molécules
d'ADN, si cette petite portion d'ADN appartenait au chromosome du colibacille, la
molécule entière nécessiterait un écran de 25 km de hauteur pour être vue dans son
entier !
(Attention ! Les atomes d'hydrogène ne sont pas détectables par les rayons X et ne
figurent donc pas sur les fichiers de cristallographie de l'ADN !)
La double hélice d'ADN est une macromolécule formée de deux molécules
associées, que l'on appelle brins. Chacun des deux brins peut être mis en évidence
par une couleur :
(Les boutons suivants ne sont utilisables que si l'image "Structure de l'ADN" est visible sur la
partie gauche de l'écran, sinon cliquer ici pour mettre à jour la page.)
1 Colorer les brins
Observer les deux brins dans de nouveaux modes de représentation qui montrent,
chacun à leur manière, le trajet des brins composant la double hélice).
2 Mode "squelette"
3 Mode "rubans"
4 Mode "brins"
5 Montrer le grand sillon et le petit sillon qui résultent directement de
l'enroulement des deux brins dans l'hélice.
6 Isoler un brin d'ADN
Un seul brin reste visible. En mode "Tube" et couleurs CPK, on peut voir la
structure linéaire du brin, qui est un polymère (enchaînenement de monomères
plus simples = les nucléotides). Chaque nucléotide est lié à ses voisins par une
liaison phosphodiester, aisément reconnaissable par le phosphore orange entouré
d'oxygènes rouges.
Il y a quatre nucléotides différents dans la composition de l'ADN, l'adénosine (A),
la guanosine (G), la thymidine (T) et la cytidine (C). On peut reconnaître chaque
nucléotide en lui attribuant une couleur :
7 Colorer les nucléotides
Avec la commande précédente, chaque nucléotide se voit attribuer une couleur
( G en rose, C en orange, T en vert et A en violet). Pour lire la séquence
nucléotidique du brin, on part du nucléotide orange à l'extrémité supérieure du brin
(extrémité dite 5'). On y trouve un nucléotide orange (C), puis un rose (G), puis à
nouveau un orange (C), puis 3 violets (A), puis 3 verts (T) et à nouveau rose (G),
orange (C), rose (G).
Dans un brin d'ADN, l'enchaînement des nucléotides constitue une séquence,
support moléculaire de l'information génétique.
8 Isoler un nucléotide
Un seul nucléotide reste visible. Il s'agit d'une thymidine (T). Reconnaître les
différentes parties : le phosphate (en orange et rouge), une base azotée (ici la
thymine) reconnaissable par le cycle hexagonal avec deux azotes (bleus), et un
sucre, le désoxyribose reconnaissable par le cycle pentagonal avec un sommet
rouge (oxygène).
Les bases sont des cycles aromatiques plans dont la surface est globalement
hydrophobe et dont les tranches portent des groupements polaires .
9 Ajouter un second nucléotide
Observer le phosphate (orange) de ce nouveau nucléotide et la manière dont il se
lie au nucléotide précédent par une liaison phosphodiester. Observer le plan de la
base (qui est aussi une thymine) et plus particulièrement son parallélisme avec la
base de l'autre nucléotide.
10 Montrer les nucléotides en modèle compact
Observer le positionnement des deux bases planes l'une au dessus de l'autre.
Elles se trouvent en "interactions hydrophobes", comme les lipides dans la
structure membranaire. Ces interactions entre bases azotées constituent les forces
d'empilement responsables de l'acquisition d'une structure hélicoïdale par le brin
d'ADN.
Il reste à voir comment les deux brins de la double hélice sont maintenus
ensemble :
11 Montrer tout l'ADN
Cette commande sélectionne à nouveau l'ensemble de la molécule d'ADN.
12 Montrer les liaisons hydrogène (en jaune)
Observer la manière dont les deux brins de la double hélice sont maintenus
ensemble par des liaisons hydrogène entre les bases.
13 Colorer les nucléotides
En colorant les nucléotides, on fait apparaître le principe de la complémentarité
des brins, qui veut que l'on ait toujours une thymidine (T vert) en face d'une
adénosine (A violet) et une guanosine (G rose) en face d'une cytidine (C orange). Ce
principe est connu sous le nom de règle de Chargaff et il résulte en un appariement
très précis des deux brins d'ADN.
La complémentarité s'appuie sur un nombre différent de liaisons hydrogène
entre A et T et entre G et C. Compter les liaisons H dans chaque paire de base ainsi
formée.
Liaisons hydrogène et interactions hydrophobes (forces d'empilement) sont les
forces majeures intervenant dans l'organisation d'une macromolécule comme l'ADN.
Et l'eau dans tout cela ?
Au pH physiologique, les liaisons phosphodiester unissant les nucléotides sont
chargées négativement (anions phosphate PO4-). L'ADN est un polyanion qui
s'hydrate et se dissout en s'entourant de couches d'eau. Cette hydratation est
d'ailleurs nécessaire à la stabilité de la double hélice : les couches d'eau font écran
aux charges négatives qu'elles entourent, et réduisent les répulsions entre
phosphates qui autrement provoqueraient la dénaturation de l'ADN par écartement
des brins. Ce rôle stabilisant est renforcé dans les milieux biologiques par la
présence de contre-charges positives dissoutes (ions Na+ principalement).
Au cours du processus de cristallisation de l'ADN qui précède l'observation de
cristaux par diffraction des rayons X, quelques molécules d'eau sont piégées dans la
maille cristalline et peuvent être observées.
14 Montrer les molécules d'eau
Les molécules d'eau ne sont représentées ici que par leurs atomes d'oxygène
colorés en rouge. Observer comment certaines restent attachées en grappes aux
phosphates des liaisons diester (orange). D'autres molécules d'eau sont enfouies
dans le grand et le petit sillon où elles viennent au contact des bases.
Quand l'ADN est dissous dans l'eau, celle-ci vient au contact des empilements de
bases et renforce leur cohésion par interactions hydrophobes. L'eau contribue donc
largement à la structure de l'ADN, minimisant les interactions électrostatiques
déstabilisantes entres les brins, et favorisant les interactions stabilisantes entre les
paires de bases successives.
• Structure en double hélice de l'ADN
Image de synthèse de deux molécules d'ADN.
L'enchaînement des bases nucléotidiques au sein de la molécule d'ADN constitutive d'un
chromosome détermine les propriétés génétiques du segment concerné. Suivant ce code génétique,
certains enchaînements ont une signification pour l'édification des protéines : ils constituent un
gène, qui code pour une protéine. À l'inverse, certaines séquences ne codent pour aucune protéine,
mais cela ne signifie pas pour autant qu'elles ne jouent aucun rôle.
(En dessous) :figure 2
Conformation de la double hélice de l'ADN dans sa conformation usuelle (ADN-B). Rouge: le
brin phosphodiester. Bleu: Guanine. Jaune: Cytosine. Cette figure est de Anne Lebrun et
Richard Lavery.
La structure primaire de l'ADN correspond donc à la séquence des paires de bases le long de
la molécule. Différents mécanismes moléculaires et cellulaires sont alors spécialisés dans la
lecture de cette séquence génétique et sa traduction en unités fonctionnelles, les protéines.
figure 2