Dans cette explication, nous allons approfondir la structure de l'acide désoxyribonucléique et de ses monomères pour voir comment un polymère aussi simple peut accomplir des choses aussi impressionnantes.
Cette explication porte sur la structure de l'acide désoxyribonucléique en chimie organique.
Nous commencerons par examiner la structure globale de l'acide désoxyribonucléique avant de nous intéresser aux différents monomères qui le composent. Nous étudierons ensuite comment ils s'assemblent pour former une longue molécule de polymère.
Ensuite, nous verrons comment sa structure est liée à sa fonction.
Enfin, nous comparerons la structure de l'acide désoxyribonucléique et d'une molécule apparentée, l'ARN.
L'acide désoxyribonucléique en chimie
L'acide désoxyribonucléique est un groupe de molécules qui est responsable du transport et de la transmission du matériel héréditaire ou des instructions génétiques des parents aux descendants.
Acide désoxyribonucléique : Définition
L'acide désoxyribonucléique a une structure intéressante. Il est composé de seulement quatre monomères différents. Malgré sa simplicité, il fournit les instructions nécessaires à la fabrication de chaque protéine de ton corps, aussi compliquée soit-elle, depuis les enzymes digestives qui se cachent dans ton intestin jusqu'aux filaments musculaires de tes bras et de tes jambes.
Acide désoxyribonucléique signifie acide désoxyribonucléique. Il s'agit d'un acide nucléique que l'on trouve dans presque toutes les cellules et qui fournit le plan de la vie.
Acide désoxyribonucléique : Molécule
Acide désoxyribonucléique : Découverte
Le 28 février 1953, les scientifiques Francis Crick et James Watson font irruption dans l'Eagle, un pub de Cambridge. Ils s'exclament : "Nous l'avons fait !", à la grande surprise des clients qui déjeunent tranquillement à l'intérieur. "Nous avons découvert le secret de la vie !"
En fait, Crick et Watson ont fait une percée significative. À l'aide d'images produites par Rosalind Franklin, ils sont parvenus à déterminer la structure de l'acide désoxyribonucléique. Cette découverte leur vaudra (avec Maurice Wilkins) le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1962. C'est le premier pas vers le démêlage des secrets de l'acide désoxyribonucléique et la révélation de son codage exact pour tous les types de vie.
Fig.1-La structure en double hélice de l'acide désoxyribonucléique.
Acide désoxyribonucléique : Formule
Il existe trois types d'acide désoxyribonucléique différents :
ADN-A
Il s'agit d'une double hélice droite similaire à la forme de l'ADN B. L'acide désoxyribonucléique déshydraté prend une forme A qui protège l'acide désoxyribonucléique dans des conditions extrêmes comme la dessiccation. La liaison protéique élimine également le solvant de l'acide désoxyribonucléique, et celui-ci prend une forme A.
ADN-B
Il s'agit de la conformation la plus courante de l'acide désoxyribonucléique et d'une hélice droite. La majorité de l'acide désoxyribonucléique a une conformation de type B dans des conditions physiologiques normales.
ADN-Z
L'ADN-Z est un acide désoxyribonucléique gaucher où la double hélice s'enroule vers la gauche en zigzag. Il a été découvert par Andres Wang et Alexander Rich. On le trouve en amont du site de départ d'un gène et on pense donc qu'il joue un rôle dans la régulation des gènes.
Acide désoxyribonucléique : Composition
Watson et Crick ont correctement identifié que l'acide désoxyribonucléique a une structure hélicoïdale. Il est constitué de deux chaînes enroulées étroitement l'une autour de l'autre pour former une double hélice. Comme nous l'avons mentionné plus haut, chacune de ces chaînes est un long polymère.
Les polymères sont de grandes molécules constituées de nombreuses sous-unités plus petites reliées entre elles. Ces sous-unités sont appelées monomères.
Acide désoxyribonucléique : Composition chimique
Dans l'acide désoxyribonucléique, les sous-unités monomères sont des nucléotides. Les nucléotides sont réunis en longues chaînes par des liaisons phosphodiester. Les deux chaînes sont maintenues proches l'une de l'autre par des liaisons hydrogène. Ne t'inquiète pas, nous explorerons toutes ces idées plus en détail dans la suite de l'article. Mais avant toute chose, nous devons nous pencher sur les nucléotides.
Structure des nucléotides
Les nucléotides sont les unités structurelles de base des acides nucléiques tels que l'acide désoxyribonucléique.
Les nucléotides sont constitués de trois parties :
- Un sucre
- un groupe phosphate
- une base
Fig.2- Un nucléotide.
Le sucre
Revenons au nom de l'acide désoxyribonucléique, acide désoxyribonucléique. La première partie du nom, désoxyribo-, fait référence au sucre présent dans les nucléotides de l'acide désoxyribonucléique : le 2-désoxyribose.
Le 2-désoxyribose est souvent appelé simplement désoxyribose et est dérivé du sucre ribose. Le désoxyribose, comme son nom l'indique, est dépourvu d'un atome d'oxygène au niveau du carbone 2 de sa chaîne hydrocarbonée.
Fig. 3-Désoxyribose et ribose.
L'acide désoxyribonucléique n'est pas le seul type d'acide nucléique ; en fait, différents acides nucléiques peuvent présenter différents sucres. Nous avons déjà mentionné l'ARN. Cet acide nucléique contient le sucre ribose.
Le groupe phosphate
Un groupe phosphate est attaché au carbone \( 5 \) de chaque molécule de sucre. Il s'agit d'un atome de phosphore entouré de quatre atomes d'oxygène. Les ions oxygène négatifs se lient souvent à des ions hydrogène positifs pour former des groupes \( -OH \).
Fig. 4-Un groupe phosphate.
Base
La dernière partie d'un nucléotide est une base. On pourrait dire que les bases sont la partie la plus importante de l'acide désoxyribonucléique car elles fournissent les instructions pour la fabrication des protéines.
On trouve quatre bases différentes dans tout l'acide désoxyribonucléique de la planète. Elles sont connues sous le nom d'adénine, de thymine, de guanine et de cytosine, mais nous les appelons souvent A, T, G et C respectivement. Les quatre sont des molécules organiques basées sur des cycles hydrocarbonés. Elles comportent également des atomes d'azote et d'oxygène.
Fig. 5- Bases de l'acide désoxyribonucléique.
Les bases se joignent au carbone \( 1 \) du désoxyribose, qui, comme tu t'en souviens, est le sucre présent dans l'acide désoxyribonucléique, en utilisant un de leurs atomes d'azote. Nous avons surligné en bleu chacun des atomes d'azote responsables. Ceci est un exemple de réaction de condensation.
Une réaction de condensation est une réaction dans laquelle deux petites molécules s'unissent pour former une molécule plus grande, libérant souvent une petite molécule supplémentaire dans le processus.
Dans ce cas, un atome d'hydrogène de la base et un groupe hydroxyle du sucre sont libérés et réagissent ensemble pour former de l'eau. Par exemple, voici la réaction de condensation entre le désoxyribose et l'adénine :
Fig. 6- L'adénine s'associe au désoxyribose pour former un nucléotide.
Polymérisation
Nous savons maintenant que l'acide désoxyribonucléique est constitué de nucléotides, qui sont eux-mêmes constitués d'un groupe phosphate, d'un sucre et d'une base. Les nucléotides sont des monomères - de petites sous-unités qui s'assemblent pour former un polymère plus grand, à savoir l'acide désoxyribonucléique. Mais comment les nucléotides s'assemblent-ils pour former une longue chaîne d'acide désoxyribonucléique ?
Les nucléotides se lient par des liaisons phosphodiester. Ces liaisons se forment entre le carbone \( 3 \) du désoxyribose et l'un des atomes d'oxygène du groupe phosphate. C'est un autre exemple de réaction de condensation, libérant de l'eau au cours du processus. Ce processus se répète encore et encore pour former une longue chaîne polymère composée de nombreux nucléotides reliés entre eux.
Fig. 7- Deux nucléotides s'unissent par une liaison phosphodiester.
La liaison hydrogène et la double hélice
Terminons cette section en examinant comment deux longs brins d'acide désoxyribonucléique s'assemblent pour former une double hélice. Nous avons mentionné précédemment que les brins opposés sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène. Ces liaisons se forment entre les atomes d'azote et d'hydrogène des bases des nucléotides.
Cependant, il ne s'agit pas d'un processus aléatoire. Observe à nouveau les quatre bases. Tu remarqueras que deux bases, à savoir A et G, sont plus grandes tandis que deux autres, T et C, sont plus petites. Afin de maintenir les deux chaînes d'acide désoxyribonucléique à une distance fixe l'une de l'autre, une base plus grande ne peut se lier qu'à une base plus petite. Mais c'est un peu plus compliqué que cela. A et T ne peuvent former que deux liaisons hydrogène alors que C et G peuvent en former trois. Cela signifie que A ne peut se lier qu'à T et que C ne peut se lier qu'à G. Considère les bases comme les pièces d'un puzzle : les autres combinaisons ne sont pas compatibles.
Fig. 8- Appariement des bases complémentaires.
Comment cela affecte-t-il l'acide désoxyribonucléique ? Prends deux brins d'acide désoxyribonucléique. Chaque base A du premier brin doit se lier à une base T du second brin, et vice versa. De même, chaque base C du premier brin doit se lier à une base G du second brin, et vice versa. Le deuxième brin est donc l'opposé du premier brin, et on dit que les deux brins sont complémentaires. La liaison hydrogène entre les paires de bases donne naissance aux deux brins complémentaires de l'acide désoxyribonucléique.
Fig. 9- Appariement complémentaire de bases entre deux brins d'acide désoxyribonucléique.
Différence entre la structure de l'acide désoxyribonucléique et de l'ARN
Le dernier point sur lequel nous allons nous concentrer est la différence entre les structures de l'acide désoxyribonucléique et de l'ARN.
ARN signifie acide ribonucléique. Il s'agit d'un autre type d'acide nucléique.
Nous avons déjà rencontré l'ARNm, utilisé dans la synthèse des protéines. On trouve également l'ARNt et l'ARNr. L'ADN et l'ARN sont tous deux basés sur des chaînes de nucléotides, mais ils présentent quelques différences essentielles :
- Le sucre présent dans les nucléotides de l'acide désoxyribonucléique est le désoxyribose, tandis que le sucre présent dans l'ARN est le ribose.
- L'acide désoxyribonucléique contient les quatre bases A, T, C et G. Cependant, l'ARN contient la base uracile, U, au lieu de T. U est presque exactement la même chose que T, mais il manque un groupe méthyle à l'un de ses atomes de carbone. Comme T, U se lie à A.
- L'acide désoxyribonucléique est une longue molécule à double brin, tandis que l'ARN est plus court et à simple brin.
Fig. 10- Comparaison entre l'acide désoxyribonucléique et l'ARN.
Il existe une explication entière qui explore les différences entre l'acide désoxyribonucléique et l'ARN. Tu peux le trouver sur le site La structure d'ARN.
Acide désoxyribonucléique - Points clés
- L'acide désoxyribonucléique est un acide nucléique constitué de deux longues chaînes de polymères enroulées ensemble en une double hélice.
- L'acide désoxyribonucléique est constitué de monomères appelés nucléotides. Chaque nucléotide contient un groupe phosphate, un sucre et une base.
- Le sucre présent dans l'acide désoxyribonucléique est le désoxyribose.
- Les quatre bases présentes dans l'acide désoxyribonucléique sont l'adénine, la guanine, la thymine et la cytosine.
- Les nucléotides s'assemblent grâce à une liaison phosphodiester formée lors d'une réaction de condensation.
Les brins opposés d'acide désoxyribonucléique s'assemblent grâce à des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires.
La structure de l'acide désoxyribonucléique joue un rôle important dans les processus de réplication de l'acide désoxyribonucléique et de synthèse des protéines.
L'ARN est un autre type d'acide nucléique. Il comporte le sucre ribose au lieu du désoxyribose, la base uracile au lieu de la thymine, et est simple brin au lieu de double brin.
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Gabriel Freitas est un ingénieur en intelligence artificielle possédant une solide expérience en développement logiciel, en algorithmes d’apprentissage automatique et en IA générative, notamment dans les applications des grands modèles de langage (LLM). Diplômé en génie électrique de l’Université de São Paulo, il poursuit actuellement une maîtrise en génie informatique à l’Université de Campinas, avec une spécialisation en apprentissage automatique. Gabriel a un solide bagage en ingénierie logicielle et a travaillé sur des projets impliquant la vision par ordinateur, l’IA embarquée et les applications LLM.
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