ADN: HISTOIRE, FONCTIONS, STRUCTURE, COMPOSANTS - LA BIOLOGIE - 2025

L' ADN (acide désoxyribonucléique) est la biomolécule qui contient toutes les informations nécessaires pour générer un corps et maintenir son fonctionnement. Il est composé d'unités appelées nucléotides, à leur tour constituées d'un groupe phosphate, d'une molécule de sucre à cinq carbones et d'une base azotée.

Il existe quatre bases azotées: l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T). L'adénine s'associe toujours avec la thymine et la guanine avec la cytosine. Le message contenu dans le brin d'ADN est transformé en ARN messager et cela participe à la synthèse des protéines.

L'ADN est une molécule extrêmement stable, chargée négativement au pH physiologique, qui s'associe à des protéines positives (histones) pour se compacter efficacement dans le noyau des cellules eucaryotes. Une longue chaîne d'ADN, associée à diverses protéines associées, forme un chromosome.

L'histoire

En 1953, l'Américain James Watson et le Britannique Francis Crick parviennent à élucider la structure tridimensionnelle de l'ADN, grâce aux travaux de cristallographie menés par Rosalind Franklin et Maurice Wilkins. Ils ont également fondé leurs conclusions sur les travaux d'autres auteurs.

Lorsque l'ADN est exposé aux rayons X, un motif de diffraction se forme qui peut être utilisé pour déduire la structure de la molécule: une hélice de deux chaînes antiparallèles qui tournent vers la droite, où les deux chaînes sont reliées par des liaisons hydrogène entre les bases.. Le motif obtenu était le suivant:

La structure peut être supposée suivant les lois de diffraction de Bragg: lorsqu'un objet est interposé au milieu d'un faisceau de rayons X, il est réfléchi, car les électrons de l'objet interagissent avec le faisceau.

Le 25 avril 1953, les résultats de Watson et Crick sont publiés dans la prestigieuse revue Nature, dans un article de seulement deux pages intitulé "Structure moléculaire des acides nucléiques", qui révolutionnera complètement le domaine de la biologie.

Grâce à cette découverte, les chercheurs ont reçu le prix Nobel de médecine en 1962, à l'exception de Franklin décédé avant l'accouchement. Actuellement, cette découverte est l'un des grands représentants du succès de la méthode scientifique pour acquérir de nouvelles connaissances.

Composants

La molécule d'ADN est constituée de nucléotides, unités constituées d'un sucre à cinq carbones attaché à un groupe phosphate et d'une base azotée. Le type de sucre trouvé dans l'ADN est le type désoxyribose et donc son nom, acide désoxyribonucléique.

Pour former la chaîne, les nucléotides sont liés de manière covalente par une liaison de type phosphodiester via un groupe 3'-hydroxyle (-OH) à partir d'un sucre et le 5'-phosphapho du nucléotide suivant.

Les nucléotides ne doivent pas être confondus avec les nucléosides. Ce dernier fait référence à la partie du nucléotide formée uniquement par le pentose (sucre) et la base azotée.

L'ADN est composé de quatre types de bases azotées: l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T).

Les bases azotées sont classées en deux catégories: les purines et les pyrimidines. Le premier groupe est constitué d'un cycle de cinq atomes attaché à un autre cycle de six, tandis que les pyrimidines sont composées d'un seul cycle.

Parmi les bases mentionnées, l'adénine et la guanine sont des dérivés de purines. En revanche, la thymine, la cytosine et l'uracile (présents dans la molécule d'ARN) appartiennent au groupe des pyrimidines.

Structure

Une molécule d'ADN est composée de deux chaînes de nucléotides. Cette "chaîne" est connue sous le nom de brin d'ADN.

Les deux brins sont liés par des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires. Les bases azotées sont liées de manière covalente à un squelette de sucres et de phosphates.

Chaque nucléotide situé sur un brin peut être couplé avec un autre nucléotide spécifique sur l'autre brin, pour former la double hélice bien connue. Afin de former une structure efficace, A se couple toujours avec T au moyen de deux liaisons hydrogène, et G avec C par trois liaisons.

Loi de Chargaff

Si nous étudions les proportions de bases azotées dans l'ADN, nous constaterons que la quantité de A est identique à la quantité de T et de même avec le G et le C. Ce modèle est connu sous le nom de loi de Chargaff.

Cet appariement est énergétiquement favorable, car il permet de conserver une largeur similaire le long de la structure, en maintenant une distance similaire le long de la molécule de squelette sucre-phosphate. Notez qu'une base d'un anneau s'accouple avec l'un d'un anneau.

Modèle à double hélice

Il est suggéré que la double hélice est composée de 10,4 nucléotides par tour, séparés par une distance centre à centre de 3,4 nanomètres. Le processus de laminage donne lieu à la formation de rainures dans la structure, permettant d'observer une rainure plus grande et plus petite.

Les rainures apparaissent parce que les liaisons glycosidiques dans les paires de bases ne sont pas opposées l'une à l'autre, par rapport à leur diamètre. La pyrimidine O-2 et la purine N-3 se trouvent dans le petit sillon, tandis que le grand sillon est situé dans la région opposée.

Si l'on utilise l'analogie d'une échelle, les échelons sont constitués des paires de bases complémentaires l'une à l'autre, tandis que le squelette correspond aux deux barres d'appui.

Les extrémités de la molécule d'ADN ne sont pas les mêmes, c'est pourquoi on parle de «polarité». L'une de ses extrémités, la 3 ', porte un groupe -OH, tandis que l'extrémité 5' a le groupe phosphate libre.

Les deux brins sont situés de manière antiparallèle, ce qui signifie qu'ils sont situés de manière opposée par rapport à leurs polarités, comme suit:

De plus, la séquence de l'un des brins doit être complémentaire de son partenaire, si c'est une position il y a A, dans le brin antiparallèle il doit y avoir un T.

Organisation

Dans chaque cellule humaine, il y a environ deux mètres d'ADN qui doivent être emballés efficacement.

Le brin doit être compacté pour pouvoir être contenu dans un noyau microscopique de 6 µm de diamètre qui n'occupe que 10% du volume cellulaire. Ceci est possible grâce aux niveaux de compactage suivants:

Histones

Chez les eucaryotes, il existe des protéines appelées histones, qui ont la capacité de se lier à la molécule d'ADN, constituant le premier niveau de compactage du brin. Les histones ont des charges positives pour pouvoir interagir avec les charges négatives de l'ADN, fournies par les phosphates.

Les histones sont des protéines si importantes pour les organismes eucaryotes qu'elles sont restées pratiquement inchangées au cours de l'évolution - en se rappelant qu'un faible taux de mutations indique que les pressions sélectives sur cette molécule sont fortes. Un défaut d'histones pourrait entraîner un compactage défectueux de l'ADN.

Les histones peuvent être modifiées biochimiquement et ce processus modifie le niveau de compactage du matériel génétique.

Lorsque les histones sont «hypoacétylées», la chromatine est plus condensée, car les formes acétylées neutralisent les charges positives des lysines (acides aminés chargés positivement) dans la protéine.

Nucléosomes et fibre 30 nm

Le brin d'ADN se tord en histones et forment des structures qui ressemblent aux perles d'un collier de perles, appelées nucléosomes. Au cœur de cette structure se trouvent deux copies de chaque type d'histone: H2A, H2B, H3 et H4. L'union des différentes histones est appelée "octamère d'histone".

L'octamère est entouré d'environ 146 paires de bases, tournant moins de deux fois. Une cellule diploïde humaine contient environ 6,4 x 10 ⁹ nucléotides organisés en 30 millions de nucléosomes.

L'organisation en nucléosomes permet à l'ADN d'être compacté à plus d'un tiers de sa longueur d'origine.

Dans un processus d'extraction de matériel génétique dans des conditions physiologiques, on observe que les nucléosomes sont disposés dans une fibre de 30 nanomètres.

Les chromosomes

Les chromosomes sont l'unité fonctionnelle de l'hérédité, dont la fonction est de porter les gènes d'un individu. Un gène est un segment d'ADN qui contient les informations nécessaires pour synthétiser une protéine (ou une série de protéines). Cependant, il existe également des gènes qui codent pour des éléments régulateurs, tels que l'ARN.

Toutes les cellules humaines (à l'exception des gamètes et des cellules sanguines) ont deux copies de chaque chromosome, l'une héritée du père et l'autre de la mère.

Les chromosomes sont des structures constituées d'un long morceau linéaire d'ADN associé aux complexes protéiques mentionnés ci-dessus. Normalement, chez les eucaryotes, tout le matériel génétique inclus dans le noyau est divisé en une série de chromosomes.

Organisation chez les procaryotes

Les procaryotes sont des organismes dépourvus de noyau. Chez ces espèces, le matériel génétique est fortement enroulé avec des protéines alcalines de faible poids moléculaire. De cette manière, l'ADN est compacté et situé dans une région centrale de la bactérie.

Certains auteurs appellent souvent cette structure un "chromosome bactérien", bien qu'elle n'ait pas les mêmes caractéristiques qu'un chromosome eucaryote.

Quantité d'ADN

Toutes les espèces d'organismes ne contiennent pas la même quantité d'ADN. En fait, cette valeur est très variable entre les espèces et il n'y a pas de relation entre la quantité d'ADN et la complexité de l'organisme. Cette contradiction est connue sous le nom de «paradoxe de la valeur C».

Le raisonnement logique serait de penser que plus l'organisme est complexe, plus il a d'ADN. Cependant, ce n'est pas vrai dans la nature.

Par exemple, le génome du poisson-poumon Protopterus aethiopicus mesure 132 pg (l'ADN peut être quantifié en picogrammes = pg) alors que le génome humain ne pèse que 3,5 pg.

Il faut se rappeler que tout l'ADN d'un organisme ne code pas pour des protéines, une grande partie de celle-ci est liée aux éléments régulateurs et aux différents types d'ARN.

Formes structurelles d'ADN

Le modèle Watson et Crick, dérivé des diagrammes de diffraction des rayons X, est connu sous le nom d'hélice B-ADN et est le modèle «traditionnel» et le plus connu. Cependant, il existe deux autres formes différentes, appelées A-ADN et Z-ADN.

ADN - A

La variante «A» tourne vers la droite, tout comme l'ADN-B, mais est plus courte et plus large. Cette forme apparaît lorsque l'humidité relative diminue.

L'ADN-A tourne toutes les 11 paires de bases, la rainure principale étant plus étroite et plus profonde que l'ADN-B. En ce qui concerne le sillon mineur, il est plus superficiel et large.

ADN - Z

La troisième variante est le Z-DNA. C'est la forme la plus étroite, formée par un groupe d'hexanucléotides organisés en un duplex de chaînes antiparallèles. L'une des caractéristiques les plus remarquables de cette forme est qu'elle tourne vers la gauche, tandis que les deux autres voies le font vers la droite.

L'ADN-Z apparaît lorsqu'il y a de courtes séquences de pyrimidines et de purines en alternance. Le sillon majeur est plat et le mineur est plus étroit et plus profond que l'ADN-B.

Bien que dans des conditions physiologiques, la molécule d'ADN soit principalement sous sa forme B, l'existence des deux variantes décrites expose la flexibilité et le dynamisme du matériel génétique.

Caractéristiques

La molécule d'ADN contient toutes les informations et instructions nécessaires à la construction d'un organisme. L'ensemble complet des informations génétiques dans les organismes s'appelle le génome.

Le message est codé par «l'alphabet biologique»: les quatre bases mentionnées précédemment, A, T, G et C.

Le message peut conduire à la formation de divers types de protéines ou coder pour un élément régulateur. Le processus par lequel ces bases de données peuvent délivrer un message est expliqué ci-dessous:

Réplication, transcription et traduction

Le message chiffré dans les quatre lettres A, T, G et C aboutit à un phénotype (toutes les séquences d'ADN ne codent pas pour les protéines). Pour y parvenir, l'ADN doit se répliquer dans chaque processus de division cellulaire.

La réplication de l'ADN est semi-conservatrice: un brin sert de matrice pour la formation de la nouvelle molécule fille. Réplication catalysée par un certain nombre d'enzymes, y compris l'ADN primase, l'ADN hélicase, l'ADN ligase et la topoisomérase.

Par la suite, le message - rédigé dans un langage de séquence de bases - doit être transmis à une molécule intermédiaire: l'ARN (acide ribonucléique). Ce processus s'appelle la transcription.

Pour que la transcription se produise, différentes enzymes doivent participer, y compris l'ARN polymérase.

Cette enzyme est chargée de copier le message de l'ADN et de le convertir en une molécule d'ARN messager. En d'autres termes, le but de la transcription est d'obtenir le messager.

Enfin, la traduction du message en molécules d'ARN messager se produit, grâce aux ribosomes.

Ces structures prennent l'ARN messager et, avec la machinerie de traduction, forment la protéine spécifiée.

Le code génétique

Le message est lu en "triplets" ou groupes de trois lettres qui spécifient un acide aminé - les éléments constitutifs des protéines. Il est possible de déchiffrer le message des triplés puisque le code génétique a déjà été pleinement révélé.

La traduction commence toujours par l'acide aminé méthionine, qui est codé par le triplet de départ: AUG. Le "U" représente la base uracile et est caractéristique de l'ARN et supplante la thymine.

Par exemple, si l'ARN messager a la séquence suivante: AUG CCU CUU UUU UUA, il est traduit dans les acides aminés suivants: méthionine, proline, leucine, phénylalanine et phénylalanine. Notez que deux triplets - dans ce cas UUU et UUA - peuvent coder pour le même acide aminé: la phénylalanine.

En raison de cette propriété, on dit que le code génétique est dégénéré, puisqu'un acide aminé est codé par plus d'une séquence de triplets, à l'exception de l'acide aminé méthionine, qui dicte le début de la traduction.

Le processus est arrêté avec des triplets d'arrêt ou d'arrêt spécifiques: UAA, UAG et UGA. Ils sont connus sous les noms d'ocre, d'ambre et d'opale, respectivement. Lorsque le ribosome les détecte, il ne peut plus ajouter d'acides aminés à la chaîne.

Propriétés chimiques et physiques

Les acides nucléiques sont de nature acide et sont solubles dans l'eau (hydrophiles). La formation de liaisons hydrogène entre les groupes phosphate et les groupes hydroxyle des pentoses avec de l'eau peut se produire. Il est chargé négativement au pH physiologique.

Les solutions d'ADN sont très visqueuses, en raison de la capacité de résistance à la déformation de la double hélice, qui est très rigide. La viscosité diminue si l'acide nucléique est monocaténaire.

Ce sont des molécules très stables. Logiquement, cette caractéristique doit être indispensable dans les structures porteuses d'informations génétiques. Comparé à l'ARN, l'ADN est beaucoup plus stable car il n'a pas de groupe hydroxyle.

L'ADN peut être dénaturé par la chaleur, c'est-à-dire que les brins se séparent lorsque la molécule est exposée à des températures élevées.

La quantité de chaleur qui doit être appliquée dépend du pourcentage G - C de la molécule, car ces bases sont liées par trois liaisons hydrogène, augmentant la résistance à la séparation.

Concernant l'absorption de la lumière, ils ont un pic à 260 nanomètres, ce qui augmente si l'acide nucléique est monocaténaire, puisque les anneaux nucléotidiques sont exposés et sont responsables de l'absorption.

Évolution

Selon Lazcano et al. 1988 L'ADN émerge dans les étapes de transition de l'ARN, étant l'un des événements les plus importants de l'histoire de la vie.

Les auteurs proposent trois étapes: une première période où il y avait des molécules similaires aux acides nucléiques, plus tard les génomes étaient constitués d'ARN et comme dernière étape, les génomes d'ADN double bande sont apparus.

Certaines preuves soutiennent la théorie d'un monde primaire basé sur l'ARN. Premièrement, la synthèse des protéines peut se produire en l'absence d'ADN, mais pas en l'absence d'ARN. De plus, des molécules d'ARN aux propriétés catalytiques ont été découvertes.

Concernant la synthèse des désoxyribonucléotides (présents dans l'ADN) ils proviennent toujours de la réduction des ribonucléotides (présents dans l'ARN).

L'innovation évolutive d'une molécule d'ADN a dû nécessiter la présence d'enzymes synthétisant les précurseurs d'ADN et participant à la transcription inverse de l'ARN.

En étudiant les enzymes actuelles, on peut conclure que ces protéines ont évolué plusieurs fois et que la transition de l'ARN à l'ADN est plus complexe qu'on ne le croyait auparavant, y compris des processus de transfert et de perte de gènes et de remplacements non orthologues.

séquençage ADN

Le séquençage de l'ADN consiste à élucider la séquence du brin d'ADN en fonction des quatre bases qui le composent.

La connaissance de cette séquence est de la plus haute importance en sciences biologiques. Il peut être utilisé pour distinguer deux espèces morphologiquement très similaires, pour détecter des maladies, des pathologies ou des parasites et a même une applicabilité médico-légale.

Le séquençage de Sanger a été développé dans les années 1900 et est la technique traditionnelle pour clarifier une séquence. Malgré son âge, c'est une méthode valide et largement utilisée par les chercheurs.

Méthode Sanger

La méthode utilise l'ADN polymérase, une enzyme hautement fiable qui réplique l'ADN dans les cellules, synthétisant un nouveau brin d'ADN en utilisant un brin préexistant comme guide. L'enzyme nécessite une amorce pour initier la synthèse. L'amorce est une petite molécule d'ADN complémentaire de la molécule à séquencer.

Dans la réaction, des nucléotides sont ajoutés qui seront incorporés dans le nouveau brin d'ADN par l'enzyme.

En plus des nucléotides «traditionnels», le procédé comprend une série de didésoxynucléotides pour chacune des bases. Ils diffèrent des nucléotides standard par deux caractéristiques: structurellement, ils ne permettent pas à l'ADN polymérase d'ajouter plus de nucléotides au brin fille et ils ont un marqueur fluorescent différent pour chaque base.

Le résultat est une variété de molécules d'ADN de différentes longueurs, puisque les didésoxynucléotides ont été incorporés au hasard et ont arrêté le processus de réplication à différentes étapes.

Cette variété de molécules peut être séparée selon leur longueur et l'identité des nucléotides est lue au moyen de l'émission de lumière du marqueur fluorescent.

Séquençage de nouvelle génération

Les techniques de séquençage développées ces dernières années permettent l'analyse massive de millions d'échantillons simultanément.

Parmi les méthodes les plus remarquables figurent le pyroséquençage, le séquençage par synthèse, le séquençage par ligature et le séquençage de nouvelle génération par Ion Torrent.

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