Fig. 1 : Tu connais probablement la structure en double hélice de l'ADN. Cependant, ce n'est qu'un des niveaux d'organisation de la structure de l'ADN.
- Ici, nous allons passer en revue la structure de l'ADN.
- Tout d'abord, nous nous concentrerons sur la structure des nucléotides de l'ADN et sur l'appariement des bases complémentaires.
- Ensuite, nous passerons à la structure moléculaire de l'ADN.
- Nous décrirons également comment la structure de l'ADN est liée à sa fonction, et notamment comment un gène peut coder pour des protéines.
- Enfin, nous aborderons l'histoire de la découverte de la structure de l'ADN.
Structure de l'ADN : Vue d'ensemble
L'ADN est l'abréviation d'acide désoxyribonucléique, et c'est un polymère composé de nombreuses petites unités monomères appelées nucléotides. Ce polymère est constitué de deux brins qui s'enroulent l'un autour de l'autre en une forme de torsion que l'on appelle une double hélice (Fig. 1). Pour mieux comprendre la structure de l'ADN, prenons un seul des brins et détordons-le, tu remarqueras que les nucléotides forment une chaîne.
Fig. 2 : Un seul brin d'ADN est un polymère, une longue chaîne d'unités plus petites appelées nucléotides.
Structure des nucléotides de l'ADN
Comme tu peux le voir sur le schéma ci-dessous, chaque structure de nucléotide de l'ADN se compose de trois parties différentes. D'un côté, nous avons un phosphate chargé négativement qui est relié à une molécule de désoxyribose fermée (un sucre à 5 carbones) qui est elle-même liée à une base azotée.
Fig. 3. La structure des nucléotides de l'ADN : un sucre désoxyribose, une base azotée et un groupe phosphate.
Chaque nucléotide possède les mêmes groupes phosphate et sucre. Mais en ce qui concerne la base azotée, il en existe quatre types différents, à savoir l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Ces quatre bases peuvent être classées en deux groupes en fonction de leur structure.
- A et G ont deux anneaux et sont appelées purines,
- tandis que C et T n'ont qu'un seul anneau et sont appelées pyrimidines.
Comme chaque nucléotide contient une base azotée, il y a effectivement quatre nucléotides différents dans l'ADN, un type pour chacune des quatre bases différentes !
Si nous regardons de plus près le brin d'ADN, nous pouvons voir comment les nucléotides se combinent pour former un polymère. Fondamentalement, le phosphate d'un nucléotide est lié au sucre désoxyribose du nucléotide suivant, et ce processus se répète ensuite pendant des milliers de nucléotides. Les sucres et les phosphates forment une longue chaîne, que nous appelons le squelette sucre-phosphate. Les liaisons entre les groupes sucre et phosphate sont appelées liaisons phosphodiester.
Comme nous l'avons déjà mentionné, la molécule d'ADN est composée de deux brins de polynucléotides. Ces deux brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène formées entre les bases azotées pyrimidine et purine sur les brins opposés. Il est important de noter que seules les bases complémentaires peuvent s'apparier entre elles. Ainsi, A doit toujours s'apparier avec T, et C doit toujours s'apparier avec G. Nous appelons ce concept l'appariement des bases complémentaires, et il nous permet de déterminer quelle sera la séquence complémentaire d'un brin.
Par exemple, si nous avons un brin d'ADN qui se lit 5' TCAGTGCAA 3', nous pouvons utiliser cette séquence pour déterminer quelle doit être la séquence de bases sur le brin complémentaire, car nous savons que G et C s'apparient toujours ensemble et que A s'apparie toujours avec T.
Nous pouvons donc en déduire que la première base de notre brin complémentaire doit être un A parce qu'il est complémentaire de T. Ensuite, la deuxième base doit être un G parce qu'il est complémentaire de C, et ainsi de suite. La séquence du brin complémentaire serait 3' AGTCACGTT 5'.
Étant donné que A s'apparie toujours avec T et que G s'apparie toujours avec C, la proportion de nucléotides A dans la double hélice d'ADN est égale à celle de T. Et de la même façon, pour C et G, leur proportion dans une molécule d'ADN est toujours égale l'une à l'autre. En outre, il y a toujours des quantités égales de bases puriques et pyrimidiques dans une molécule d'ADN. En d'autres termes, [A] + [G] = [T] + [C].
Un segment d'ADN contient 140 nucléotides T et 90 nucléotides G. Quel est le nombre total de nucléotides ? Quel est le nombre total de nucléotides dans ce segment ?
Réponse: Si [T] = [A] = 140 et [G] = [C] = 90
[T] + [A] + [C] + [G] = 140 + 140 + 90 + 90 = 460
Liaisons hydrogène entre les nucléotides de l'ADN
Certains atomes d'hydrogène sur une base peuvent agir comme donneur de liaison hydrogène et former une liaison relativement faible avec un accepteur de liaison hydrogène (atomes d'oxygène ou d'azote spécifiques) sur une autre base. A et T ont chacun un donneur et un accepteur et forment donc deux liaisons hydrogène entre eux. En revanche, C a un donneur et deux accepteurs et G a un accepteur et deux donneurs. Par conséquent, C et G peuvent former trois liaisons hydrogène entre eux.
Une liaison hydrogène seule est relativement faible, beaucoup plus faible qu'une liaison covalente. Mais lorsqu'elles sont accumulées, elles peuvent être très fortes en tant que groupe. Une molécule d'ADN peut posséder des milliers, voire des millions de paires de bases, ce qui signifie qu'il y aurait des milliers, voire des millions de liaisons hydrogène qui maintiendraient les deux brins d'ADN ensemble !
Structure moléculaire de l'ADN
Maintenant que nous avons appris les structures des nucléotides de l'ADN, nous allons voir comment ceux-ci forment la structure moléculaire de l'ADN. Si tu l'avais remarqué, les séquences d'ADN de la dernière section comportaient deux nombres de part et d'autre : 5 et 3. Tu te demandes peut-être ce qu'ils signifient. Eh bien, comme nous l'avons dit, la molécule d'ADN est une double hélice composée de deux brins qui sont appariés par des liaisons hydrogène formées entre des bases complémentaires. Et nous avons dit que les brins d'ADN ont un squelette de sucre-phosphate qui maintient les nucléotides ensemble.
Fig. 4 : La structure moléculaire de l'ADN est constituée de deux brins formant une double hélice.
Maintenant, si nous regardons de près un brin d'ADN, nous pouvons voir que les deux extrémités d'un squelette de sucre-phosphate ne sont pas les mêmes. À une extrémité, tu as le sucre ribose comme dernier groupe, tandis qu'à l'autre extrémité, le dernier groupe doit être un groupe phosphate. Nous prenons le groupe de sucre ribose comme début du brin et nous le marquons par 5'. Par convention scientifique Et tu dois l'avoir deviné, l'autre extrémité qui se termine par un groupe phosphate est marquée par 3'. Maintenant, si tu te demandes pourquoi c'est important, eh bien, les deux brins complémentaires d'une double hélice d'ADN sont, en fait, dans la direction opposée l'un de l'autre. Cela signifie que si un brin va de 5' à 3', l'autre brin va de 3' à 5' !
Donc, si nous utilisons la séquence d'ADN que nous avons utilisée dans le dernier paragraphe, les deux brins ressembleraient à ceci :
5' TCAGTGCAA 3'
3' AGTCACGTT 5'
La double hélice d'ADN est antiparallèle, ce qui signifie que les deux brins parallèles d'une double hélice d'ADN vont dans des directions opposées l'un par rapport à l'autre. Cette caractéristique est importante car l'ADN polymérase, l'enzyme qui produit de nouveaux brins d'ADN, ne peut le faire que dans le sens 5' à 3'.
Cela représente un véritable défi, en particulier pour la réplication de l'ADN chez les eucaryotes. Mais ces derniers ont des moyens assez étonnants pour surmonter ce défi !
Découvre comment les eucaryotes surmontent ces difficultés dans l'article sur laréplication de l'ADN du niveau A .
La molécule d'ADN est très longue, elle doit donc être très condensée pour pouvoir tenir à l'intérieur d'une cellule. Le complexe composé d'une molécule d'ADN et de protéines d'emballage appelées histones s'appelle un chromosome.
Structure et fonction de l'ADN
Comme tout ce qui concerne la biologie, la structure et la fonction de l'ADN sont étroitement liées. Les caractéristiques de la structure de la molécule d'ADN sont adaptées à sa fonction principale, qui est de diriger la synthèse des protéines, les molécules clés des cellules. Elles remplissent diverses fonctions essentielles telles que catalyser des réactions biologiques en tant qu'enzymes, fournir un support structurel aux cellules et aux tissus, agir en tant qu'agents de signalisation, et bien d'autres encore !
Fig. 5 : Structure et fonction de l'ADN : la séquence des nucléotides de l'ADN code pour la séquence des acides aminés d'une protéine.
Les protéines sont des biomolécules composées d'un ou plusieurs polymères de monomères appelés acides aminés.
Le code génétique
Tu as peut-être déjà entendu parler du terme code génétique. Il désigne la séquence de bases qui codent pour un acide aminé. Les acides aminés sont les éléments constitutifs des protéines. Comme nous l'avons déjà mentionné, les protéines constituent une immense famille de biomolécules qui effectuent la majeure partie du travail dans les organismes vivants. Les cellules doivent être en mesure de synthétiser une pléthore de protéines pour remplir leurs fonctions. La séquence d'ADN, ou plus précisément la séquence d'ADN d'un gène, dicte la séquence d'acides aminés pour la fabrication des protéines.
Lesgènes sont des séquences d'ADN qui codent la création d'un produit génétique, qui peut être soit un simple ARN, soit une protéine !
Pour ce faire, chaque groupe de trois bases (appelé triplet ou codon) code pour un acide aminé spécifique. Par exemple, AGT codera pour un acide aminé (appelé sérine) tandis que GCT (appelé alanine) en codera un autre !
Nous approfondissons le code génétique dans l'article sur l'expression des gènes. Consulte également l'article Synthèse des protéines pour savoir comment les protéines sont construites !
L'autoréplication de l'ADN
Maintenant que nous avons établi que la séquence des bases de l'ADN détermine la séquence des acides aminés des protéines, nous pouvons comprendre pourquoi il est important que la séquence de l'ADN soit transmise d'une génération de cellules à l'autre.
L'appariement des bases complémentaires des nucléotides dans la structure de l'ADN permet à la molécule de se répliquer lors de la division cellulaire. Lors de la préparation de la division cellulaire, l'hélice d'ADN se sépare le long du centre en deux brins simples. Ces brins simples servent de modèles pour la construction de deux nouvelles molécules d'ADN double brin, chacune étant une copie de la molécule d'ADN d'origine !
La découverte de la structure de l'ADN
Plongeons-nous dans l'histoire qui se cache derrière cette grande découverte. Le scientifique américain James Watson et le physicien britannique Francis Crick ont développé leur modèle emblématique de la double hélice d'ADN au début des années 1950. Rosalind Franklin, une scientifique britannique, travaillant dans le laboratoire du physicien Maurice Wilkins, a fourni certains des indices les plus importants concernant la structure de l'ADN.
Franklin était passée maître dans la cristallographie aux rayons X, une technique puissante pour découvrir la structure des molécules. Lorsqu'un faisceau de rayons X frappe la forme cristallisée d'une molécule, telle que l'ADN, une partie des rayons est déviée par les atomes du cristal, générant une figure de diffraction qui révèle des informations sur la structure de la molécule. La cristallographie de Franklin a fourni des indications vitales à Watson et Crick sur la structure de l'ADN.
La célèbre "photo 51" de Franklin et de son étudiant diplômé, une image très claire de l'ADN obtenue par diffraction des rayons X, a fourni des indices vitaux à Watson et à Crick. Le schéma de diffraction en forme de X a instantanément indiqué une structure hélicoïdale à deux brins pour l'ADN. Watson et Crick ont rassemblé des données provenant de divers chercheurs, dont Franklin et d'autres scientifiques, pour créer leur célèbre modèle 3D de la structure de l'ADN.
Fig. 6 : Schéma de diffraction des rayons X de l'ADN.
Le prix Nobel de médecine a été décerné à James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins en 1962 pour cette découverte. Malheureusement, son prix n'a pas été partagé avec Rosalind Franklin, car elle était déjà décédée d'un cancer des ovaires, et les prix Nobel ne sont pas décernés à titre posthume.
Structure de l'ADN - Principaux points à retenir
- L'ADN est l'abréviation d'acide désoxyribonucléique, et c'est un polymère composé de nombreuses petites unités appelées nucléotides. Chaque nucléotide est en fait constitué de trois parties différentes : un groupe phosphate, un sucre désoxyribose et une base azotée.
- Il existequatre types différents de bases azotées :Adénine (A), Thymine (T), Cytosine (C) et Guanine (G).
- L'ADN est constitué de deux brins qui s'enroulent l'un autour de l'autre en une forme de torsion que l'on appelle une double hélice. La double hélice d'ADN est antiparallèle, ce qui signifie que les deux brins parallèles d'une double hélice d'ADN vont dans des directions opposées l'un par rapport à l'autre .
- Ces deux brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène formées entre les bases azotées des nucléotides sur les brins opposés. A doit toujours s'apparier avec T, et C doit toujours s'apparier avec G. Ce concept est connu sous le nom d'appariement de bases complémentaires.
- La structure de l'ADN est liée à sa fonction. L'appariement des bases complémentaires des nucléotides dans la structure de l'ADN permet à la molécule de se répliquer pendant la division cellulaire. Chaque brin sert de modèle pour la construction de deux nouvelles molécules d'ADN double brin, chacune étant une copie de la molécule d'ADN d'origine.
- Watson et Crick ont rassemblé des données provenant de divers chercheurs, dont Franklin et d'autres scientifiques, pour créer leur célèbre modèle 3D de la structure de l'ADN. La cristallographie de Franklin a fourni à Watson et Crick des indications essentielles sur la structure de l'ADN .
Références
- Chelsea Toledo et Kirstie Saltsman, La génétique par les chiffres, 2012, NIGMS/NIH.
- Fig. 1 : Molécule d'ADN (https://unsplash.com/photos/-qycBqByWIY) par Warren Umoh (https://unsplash.com/@warrenumoh) libre d'utilisation sous la licence Unsplash (https://unsplash.com/license).
- Fig. 6 : Diffraction des rayons X de l'ADN (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fig-1-X-ray-chrystallography-of-DNA.gif). Photo prise par Rosalind Franklin. Reproduite par Maria Evagorou, Sibel Erduran, Terhi Mäntylä. Licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
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