Tu as peut-être déjà entendu parler de l'ADN et de l'ARN : ces molécules contiennent des informations génétiques qui déterminent les caractéristiques des êtres vivants y compris nous, les humains ! Mais sais-tu de quoi sont réellement faits l'ADN et l'ARN ?
L'ADN et l'ARN sont des acides nucléiques, et les acides nucléiques sont constitués de blocs de construction appelés nucléotides. Nous allons ici décrire ce qu'est un nucléotide, donner des détails sur ses composants et sa structure, et discuter de la façon dont il se lie pour former des acides nucléiques et d'autres molécules biologiques.
Qu'est-ce qu'un nucléotide ?
Tout d'abord, examinons la définition d'un nucléotide.
Les nucléotides sont les éléments constitutifs des acides nucléiques : lorsque les nucléotides se lient entre eux, ils forment ce qu'on appelle des chaînes polynucléotidiques qui, à leur tour, constituent des segments de macromolécules biologiques appelés acides nucléiques.
Différence entre nucléotide et acide nucléique
Avant de poursuivre, mettons les choses au clair : les nucléotides sont différents des acides nucléiques. Un nucléotide est considéré comme un monomère, tandis qu'un acide nucléique est un polymère. Les monomères sont des molécules simples qui se lient à des molécules similaires pour former de grandes molécules appelées polymères. Les nucléotides se lient entre eux pour former des acides nucléiques.
Les acides nucléiques sont des molécules qui contiennent des informations génétiques et des instructions pour les fonctions cellulaires.
Il existe deux principaux types d'acides nucléiques : l'ADN et l'ARN.
Acide désoxyribonucléique (ADN) : l'ADN contient les informations génétiques nécessaires à la transmission des caractères héréditaires et les instructions pour la production de protéines.
Acide ribonucléique (ARN) : l'ARN joue un rôle essentiel dans la création des protéines. Il transporte également des informations génétiques dans certains virus.
Il est important de faire la distinction entre les deux car les composants et la structure des nucléotides de l'ADN et de l'ARN sont différents.
De quoi est composé un nucléotide ?
Nous allons d'abord aborder les principaux composants d'un nucléotide avant de développer sa structure et la façon dont il se lie pour former des acides nucléiques.
Un nucléotide a trois composants principaux : une base azotée, un sucre pentose et un groupe phosphate. Examinons chacun d'eux et voyons comment ils interagissent pour former un nucléotide.
Les bases azotées
Les bases azotées sont des molécules organiques contenant un ou deux anneaux avec des atomes d'azote. Les bases azotées sont basiques, car elles possèdent un groupe amine qui a tendance à se lier à un hydrogène supplémentaire, ce qui entraîne une concentration d'ions hydrogène plus faible dans son environnement.
Les bases azotées sont classées en purines ou en pyrimidines dans le tableau suivant.
Tableau 1 : L'adénine (A) et la guanine (G) sont des purines, tandis que la thymine (T), l'uracile (U) et la cytosine (C) sont des pyrimidines.
Purines | Pyrimidines |
Adénine (A) Guanine (G | Thymine (T) Uracile (U) Cytosine (C) |
Les purines ont une structure à double cycle dans laquelle un cycle à six carbones est attaché à un cycle à cinq carbones. En revanche, les pyrimidines sont plus petites et ont une seule structure cyclique à six carbones.
Les atomes des bases azotées sont numérotés de 1 à 6 pour les cycles pyrimidine et de 1 à 9 pour les cycles purine (Fig. 1). Ceci est fait pour indiquer la position des liaisons.
Fig. 1 - Cette illustration montre comment les bases puridiques et pyrimidiques sont structurées et numérotées
L'ADN et l'ARN contiennent tous deux quatre nucléotides. L'adénine, la guanine et la cytosine se trouvent à la fois dans l'ADN et l'ARN. La thymine ne se trouve que dans l'ADN, tandis que l'uracile ne se trouve que dans l'ARN.
Sucre pentose
Un sucre pentose possède cinq atomes de carbone, chaque carbone étant numéroté de 1′ à 5′ (1′ se lit comme « un prime »).
Deux types de pentose sont présents dans les nucléotides : le ribose et le désoxyribose (Fig. 2). Dans l'ADN, le sucre pentose est le désoxyribose, tandis que dans l'ARN, le sucre pentose est le ribose. Ce qui distingue le désoxyribose du ribose est l'absence de groupe hydroxyle (-OH) sur son carbone 2' (c'est pourquoi il est appelé « désoxyribose »).
Fig. 2 - Cette illustration montre comment le ribose et le désoxyribose sont structurés et numérotés
La base azotée d'un nucléotide est fixée à l'extrémité 1', tandis que le phosphate est fixé à l'extrémité 5' du sucre pentose.
Les chiffres amorcés (comme 1') indiquent les atomes du sucre pentose, tandis que les chiffres non amorcés (comme 1) indiquent les atomes de la base azotée.
Groupe phosphate
La combinaison de la base azotée et du sucre pentose (sans aucun groupe phosphate) s'appelle un nucléoside. L'ajout d'un à trois groupes phosphates transforme un nucléoside en nucléotide.
Avant d'être intégré en tant que partie de l'acide nucléique, un nucléotide existe généralement sous forme de triphosphate (ce qui signifie qu'il possède trois groupes phosphates) ; cependant, en devenant un acide nucléique, il perd deux des groupes phosphates.
Les groupes phosphates se lient à 3' des cycles de ribose (dans l'ARN) ou à 5' des cycles de désoxyribose (dans l'ADN).
Structure des nucléosides, des nucléotides et des acides nucléiques
Dans un polynucléotide, un nucléotide est relié au nucléotide adjacent par une liaison phosphodiester. Cette liaison entre le sucre pentose et le groupe phosphate crée un motif répétitif et alterné appelé le squelette sucre-phosphate.
Une liaison phosphodiester est une liaison chimique qui maintient une chaîne de polynucléotides ensemble en reliant un groupe phosphate en 5' dans le sucre pentose d'un nucléotide au groupe hydroxyle en 3' dans le sucre pentose du nucléotide suivant.
Le polynucléotide résultant a deux extrémités libres qui sont différentes l'une de l'autre :
Ces extrémités libres sont utilisées pour indiquer une direction à travers le squelette sucre-phosphate (cette direction peut être soit de 5' à 3', soit de 3' à 5'). Les bases azotées sont attachées sur toute la longueur du squelette sucre-phosphate.
La séquence de nucléotides le long de la chaîne polynucléotidique définit la structure primaire de l'ADN et de l'ARN. La séquence de bases azotées est unique pour chaque gène, et elle contient des informations génétiques très spécifiques. À son tour, cette séquence spécifie la séquence d'acides aminés d'une protéine pendant l'expression du gène.
L'expression génétique est le processus par lequel l'information génétique sous forme de séquence d'ADN est codée en une séquence d'ARN, qui à son tour est traduite en une séquence d'acides aminés pour former des protéines.
Le diagramme ci-dessous résume la formation des nucléosides, des nucléotides et des acides nucléiques à partir des trois principaux composants (Fig. 3).
Fig. 3 - Ce schéma montre comment un sucre pentose, une base azotée et un groupe phosphate forment les nucléosides, les nucléotides et les acides nucléiques
La structure secondaire de l'ADN et de l'ARN diffère à plusieurs égards :
L'ADN est constitué de deux chaînes de polynucléotides entrelacées qui forment une structure à double hélice.
Les deux brins sont antiparallèles : les deux brins sont parallèles, mais ils vont dans des directions opposées ; plus précisément, l'extrémité 5' d'un brin fait face à l'extrémité 3' de l'autre brin.
Les deux brins sont complémentaires : la séquence de bases azotées de chaque brin s'aligne avec les bases de l'autre brin.
L'ARN est constitué d'une seule chaîne de polynucléotides.
Dans l'ADN comme dans l'ARN, chaque nucléotide de la chaîne polynucléotidique s'apparie avec un nucléotide complémentaire spécifique via des liaisons hydrogène. Plus précisément, une base purique s'apparie toujours avec une base pyrimidique comme suit :
Une liaison hydrogène est l'attraction entre l'atome d'hydrogène partiellement positif d'une molécule et l'atome partiellement négatif d'une autre molécule.
Les nucléotides dans d'autres molécules organiques
En plus de stocker des informations génétiques, les nucléotides sont également impliqués dans divers processus biologiques. Par exemple, l'adénosine triphosphate (ATP) fonctionne comme une molécule qui stocke et transfère l'énergie. Les nucléotides peuvent aussi fonctionner comme coenzymes et vitamines. Ils jouent également un rôle dans la régulation métabolique et la signalisation cellulaire.
Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) et le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) sont deux coenzymes formés par la fixation de l'adénosine à un nucléotide analogue au nicotinamide.
Le NAD et le NADP participent aux réactions d'oxydoréduction (redox) dans les cellules, notamment celles de la glycolyse (le processus métabolique de dégradation des sucres) et du cycle de l'acide citrique (une série de réactions qui libèrent l'énergie stockée à partir des liaisons chimiques des sucres transformés). Une réaction redox est un processus dans lequel des électrons sont transférés entre deux réactifs participants.
Nucléotides - Points clés
- Les nucléotides sont des monomères (blocs de construction) qui se lient entre eux pour former des acides nucléiques.
- Un nucléotide a trois composants principaux : une base azotée, un sucre pentose (à cinq carbones) et un groupe phosphate.
- Il existe deux types d'acides nucléiques formés par les nucléotides : l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN).
- Les bases azotées adénine, guanine et cytosine se trouvent à la fois dans l'ADN et l'ARN, mais la thymine ne se trouve que dans l'ADN tandis que l'uracile ne se trouve que dans l'ARN.
- Dans l'ADN, le sucre pentose est le désoxyribose, tandis que dans l'ARN, le sucre pentose est le ribose.
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