ADN

La découverte de la structure de l'ADN

Plongeons dans l'histoire de cette grande découverte. Le scientifique américain James Watson et le physicien britannique Francis Crick ont développé leur modèle emblématique de la double hélice de l'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 un maître de 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 un schéma de diffraction qui révèle des informations sur la structure de la molécule. La cristallographie de Franklin a fourni des indications essentielles à Watson et Crick sur la structure de l'ADN, en particulier la célèbre « Photo 51 » de Franklin et de son étudiant diplômé, une image très claire de l'ADN obtenue par diffraction des rayons X.

Le schéma de diffraction en forme de X indique instantanément une structure hélicoïdale à deux brins pour l'ADN. Watson et Crick ont rassemblé les données de divers chercheurs, dont Franklin et d'autres scientifiques, pour créer leur célèbre modèle 3D de la structure de l'ADN.

La molécule d'ADN

La principale fonction de l'ADN est de stocker l'information génétique dans des structures appelées chromosomes. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN se trouve dans le noyau, la mitochondrie (les chromosomes) et, chez les plantes, l'ADN se trouve également dans le chloroplaste. Chez les procaryotes, l'ADN se trouve dans le nucléoïde, qui est une région du cytoplasme, et dans les plasmides.

Schéma de l'ADN

La molécule d'ADN est une double hélice antiparallèle formée de deux brins de polynucléotides. Elle est antiparallèle, car les brins d'ADN vont dans des directions opposer l'un à l'autre. Les deux brins de polynucléotides sont reliés entre eux par des liaisons hydrogène entre des paires de bases complémentaires. La molécule d'ADN est également décrite comme ayant un squelette désoxyribose-phosphate — certains manuels peuvent également l'appeler « squelette sucre-phosphate ». La Figure 1 ci-dessous fournit un schéma de la structure moléculaire en double hélice de l'ADN.

Fig. 1 - Schéma de l'ADN

Structure des nucléotides de l'ADN

Un seul nucléotide d'ADN est constitué de 3 composants :

• un groupe phosphate ;
• un sucre pentose (désoxyribose) ;
• une base organique azotée (base azotée).

Ci-dessous, tu verras comment ces différents composants sont organisés au sein d'un seul nucléotide. Ainsi qu'illustré dans la Figure 1, il existe quatre types différents de nucléotides d'ADN, car il existe quatre types différents de bases azotées : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Ces quatre bases différentes peuvent être divisées en deux groupes : les pyrimidines et les purines.

Les bases pyrimidiques sont les plus petites bases, car elles sont composées d'une structure cyclique à un carbone. Les bases pyrimidiques sont la thymine et la cytosine. Les bases puriques sont les bases les plus grandes, puisqu'elles sont composées d'une structure cyclique à deux atomes de carbone. Les bases puriques sont l'adénine et la guanine.

Chaque nucléotide possède les mêmes groupes phosphate et sucre. Les quatre bases azotées peuvent être classées en deux groupes en fonction de leur structure. A et G ont deux cycles et sont appelées purines, tandis que C et T n'ont qu'un seul cycle 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 !

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 des brins opposés. Il est toutefois important de noter que seules les bases complémentaires peuvent s'apparier entre elles. Ainsi, A doit toujours s'apparier à T et C doit toujours s'apparier à G. Nous appelons ce concept la complémentarité des bases nucléiques et il nous permet de déterminer quelle sera la séquence complémentaire d'un brin.

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 même, 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 une quantité égale de bases puriques et pyrimidiques dans une molécule d'ADN. En d'autres termes, [A] + [G] = [T] + [C]. C'est ce qu'on appelle la règle de Chargaff.

Séquençage de l'ADN

Le séquençage de l'ADN est le processus qui consiste à déterminer la séquence des nucléotides de l'ADN, ou l'ordre des bases qui composent un brin d'ADN. Nous pouvons utiliser ces informations pour déterminer la séquence de l'ARN ou de la protéine qui permet d'obtenir plus d'informations sur la fonction du gène et sa relation avec d'autres gènes. Nous pouvons aussi utiliser ces informations pour étudier l'expression et la régulation des gènes.

Comme nous l'avons vu plus haut, l'ordre des quatre bases azotées (adénine, thymine, cytosine, guanine) peut sembler aléatoire au début, mais il ne l'est pas du tout. La disposition de ces quatre bases est très importante et correspond à différentes informations génétiques dans une cellule ou un organisme. Ces bases constituent la base génétique sous-jacente de différents traits chez un individu (également connu sous le nom de son phénotype).

Disons que la séquence d'ADN CGATGG transmet des informations génétiques pour les cheveux noirs. Même s'il n'y a qu'une différence d'une base, la séquence d'ADN CGATCG pourrait transmettre des informations génétiques pour les cheveux bruns.

Ces informations génétiques sont cruciales pour comprendre la base des maladies génétiques comme la maladie de Huntington, la mucoviscidose, et bien d'autres. Connaître une séquence d'ADN est essentiel pour comprendre la fonction de nos gènes.

Toute modification de cette séquence d'ADN s'appelle une mutation. Tu peux considérer la mutation comme une « erreur » dans la séquence d'ADN qui peut survenir lorsque l'ADN est copié pendant la réplication de l'ADN ou à la suite de différents facteurs environnementaux tels que le tabagisme, l'exposition au soleil, les radiations et d'autres mutagènes.

La mutation de l'ADN peut entraîner la diversité des espèces car elle produit de nouveaux allèles (variantes de gènes). Les mutations peuvent être nuisibles, bénéfiques ou neutres. Les mutations nuisibles ont un impact négatif sur l'aptitude à l'évolution d'un organisme ou sur sa capacité à survivre et à se reproduire. Au contraire, les mutations bénéfiques ont un impact positif sur la capacité d'évolution d'un organisme. La plupart des mutations sont neutres : elles n'ont aucun effet sur la capacité d'évolution d'un organisme. Si la plupart des mutations sont neutres, des mutations plus graves peuvent entraîner divers troubles génétiques mortels. L'une des maladies génétiques humaines les plus courantes est le cancer, causé par des mutations néfastes qui entraînent une croissance incontrôlée des cellules.

Stabilité de l'ADN

Comme la cytosine et la guanine forment 3 liaisons hydrogène, cette paire est plus forte que l'adénine et la thymine qui ne forment que 2 liaisons hydrogène. Cela contribue à la stabilité de l'ADN. Les molécules d'ADN présentant une proportion élevée de liaisons cytosine-guanine sont plus stables que les molécules d'ADN présentant une proportion plus faible de ces liaisons.

Un autre facteur qui stabilise l'ADN est le squelette de désoxyribose-phosphate. Il maintient les paires de bases à l'intérieur de la double hélice, et cette orientation protège ces bases qui sont très réactives.

Réplication de l'ADN

Pour qu'un organisme grandisse, se développe et reste en bonne santé, ses cellules doivent se diviser pour produire de nouvelles cellules. Grâce à un processus appelé division cellulaire, une cellule peut se diviser pour créer deux nouvelles cellules filles, chacune avec le complément complet d'ADN, identique à celui de la cellule mère.

Lorsque les cellules se divisent, elles produisent de nouvelles cellules. La cellule qui se divise est appelée la cellule mère, tandis que les cellules qui en résultent sont appelées cellules filles. Lorsqu'une cellule se divise, elle produit deux nouvelles cellules filles ; de même, quand deux cellules se divisent, elles produisent quatre nouvelles cellules filles, et ainsi de suite.

La réplication de l'ADN est un processus au cours duquel l'ADN d'un génome est copié afin qu'une cellule mère produise des cellules filles avec le même génome après une division cellulaire. Un génome est l'ensemble du matériel génétique d'une cellule ou d'un organisme.

Pendant la réplication, les deux brins d'ADN sont séparés, ainsi chaque brin sert de modèle pour produire de nouveaux brins complémentaires. Après la division cellulaire, les deux ADN filles auront chacune un brin préexistant et un brin nouvellement formé. Pour cette raison, la réplication de l'ADN est décrite comme semi-conservatrice, car la moitié de la molécule d'ADN d'origine est conservée dans chaque molécule d'ADN nouvellement synthétisée.

Les 3 principales enzymes impliquées dans la réplication de l'ADN sont l'ADN hélicase, l'ADN polymérase et l'ADN ligase qui sont décrites dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1 - Les enzymes impliquées dans la réplication semi-conservative de l'ADN.

Structure de l'ADN et synthèse des protéines

L'ADN est important, car il code pour les acides aminés. Ceux-ci sont utilisés pour fabriquer des protéines. Il le fait d'une manière particulière dans le processus de synthèse des protéines. La synthèse des protéines peut être divisée en deux parties : la transcription et la traduction.

Transcription

Afin de fabriquer des protéines, l'ADN doit d'abord faire une copie spéciale de lui-même. Cette copie est connue sous le nom d'ARNm et le processus est appelé transcription. Il se déroule de la même manière que la réplication de l'ADN. Les liaisons hydrogène entre les bases opposées étant faibles, elles sont facilement rompues et les deux brins d'ADN sont séparés. Les nucléotides complémentaires de l'ARNm se fixent alors sur le brin d'ADN exposé et sont assemblés. Une fois la chaîne entièrement assemblée, les faibles liaisons hydrogène entre le brin d'ADN et le brin d'ARNm sont rompus et l'ARNm est libre de passer à la traduction.

Tu te souviens qu'au début de l'article, nous avons dit que l'ADN se trouve dans presque toutes les cellules ? Certaines cellules, comme les globules rouges, ne contiennent pas d'ADN du tout. Cela signifie qu'elles ne peuvent pas se diviser et se reproduire. Au lieu de cela, les globules rouges sont fabriqués dans la moelle osseuse des grands os. Ils vivent environ 100 jours avant d'être recyclés par les macrophages.

Traduction

Les protéines sont fabriquées par de petites pièces de machinerie dans les cellules appelées ribosomes, dans un processus appelé traduction. Les ribosomes lisent les bases du brin d'ARNm et apportent les bons acides aminés, qui s'assemblent pour former une longue chaîne polypeptidique. Les bases de l'ARNm sont lues par groupes de trois, appelés codons. Chaque codon indique au ribosome d'ajouter un acide aminé particulier ; en fait, notre corps en compte 20 parmi lesquels il peut choisir.

Fig. 2 - Trois nucléotides forment un codon

Arrête-toi une minute pour réfléchir au nombre de possibilités qui s'offrent à toi. Les brins d'ADN sont longs de milliers de nucléotides, et chaque groupe de trois nucléotides code pour l'un des 20 acides aminés différents. Cela fait beaucoup de combinaisons différentes possibles ! C'est ainsi que l'ADN code pour une telle variété de vie - à travers ses différentes combinaisons de bases, copiées sur des molécules d'ARNm, qui sont ensuite lues par les ribosomes et utilisées pour fabriquer des protéines.

Il existe 64 combinaisons différentes de bases possibles, mais seulement 20 acides aminés différents. Cela s'explique par le fait que plusieurs combinaisons de codons codent pour le même acide aminé. Cela est utile, car cela signifie que certaines mutations de l'ADN peuvent ne pas avoir d'effet sur l'acide aminé codé. Les mutations ne sont que des changements dans la séquence de bases d'un brin d'ADN et se produisent naturellement dans le cadre du processus de réplication de l'ADN, mais elles peuvent également être provoquées par des radiations. À titre d'exemple, tous les codons de l'ARNm commençant par la combinaison de bases CC- codent pour le même acide aminé, à savoir la proline. Pour ce codon, peu importe qu'une erreur soit commise lors de la réplication du brin d'ADN - il produira toujours une copie d'ARNm qui code pour la proline.