ACIDES NUCLÉIQUES: CARACTÉRISTIQUES, FONCTIONS, STRUCTURE - LA BIOLOGIE - 2024

Les acides nucléiques sont de grandes biomolécules formées par des unités ou monomères appelés nucléotides. Ils sont en charge du stockage et de la transmission des informations génétiques. Ils participent également à chacune des étapes de la synthèse des protéines.

Structurellement, chaque nucléotide est composé d'un groupe phosphate, d'un sucre à cinq carbones et d'une base azotée hétérocyclique (A, T, C, G et U). Au pH physiologique, les acides nucléiques sont chargés négativement, solubles dans l'eau, forment des solutions visqueuses et sont assez stables.

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Il existe deux principaux types d'acides nucléiques: l'ADN et l'ARN. La composition des deux acides nucléiques est similaire: dans les deux on trouve une série de nucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Cependant, dans l'ADN, nous trouvons la thymine (T) et l'ARN uracile (U).

L'ADN est plus long et a une conformation en double hélice et l'ARN est composé d'un simple brin. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes vivants, des virus aux grands mammifères.

Perspective historique

Découverte des acides nucléiques

La découverte des acides nucléiques remonte à 1869 lorsque Friedrich Miescher a identifié la chromatine. Dans ses expériences, Miescher a extrait une matière gélatineuse du noyau et a découvert que cette substance était riche en phosphore.

Initialement, le matériau de nature mystérieuse était désigné comme "nucléine". Des expériences ultérieures sur la nucléine ont conclu qu'elle est non seulement riche en phosphore, mais aussi en glucides et en bases organiques.

Phoebus Levene a découvert que la nucléine était un polymère linéaire. Bien que les propriétés chimiques de base des acides nucléiques soient connues, on n'a pas considéré qu'il y avait une relation entre ce polymère et le matériel héréditaire des êtres vivants.

Découverte de la fonction de l'ADN

Au milieu des années 1940, il n'était pas convaincant pour les biologistes de l'époque que la molécule chargée de transmettre et de stocker les informations d'un organisme résidait dans une molécule de conformation aussi simple que l'ADN - composée de quatre monomères (nucléotides) très similaires. chaque.

Les protéines, polymères constitués de 20 types d'acides aminés, semblaient à l'époque les candidats les plus plausibles pour être la molécule de l'hérédité.

Ce point de vue a changé en 1928, lorsque le chercheur Fred Griffith a suspecté que la nucléine était impliquée dans l'hérédité. Enfin, en 1944, Oswald Avery a réussi à conclure avec des preuves solides que l'ADN contenait des informations génétiques.

Ainsi, l'ADN est passé d'une molécule ennuyeuse et monotone, composée de seulement quatre éléments constitutifs, à une molécule qui permet le stockage d'un nombre immense d'informations, et qui peut la conserver et la transmettre de manière précise, exacte et efficace.

Découverte de la structure de l'ADN

L'année 1953 a été révolutionnaire pour les sciences biologiques, car les chercheurs James Watson et Francis Crick ont ​​élucidé la structure correcte de l'ADN.

Sur la base des analyses des modèles de réflexion des rayons X, les résultats de Watson et Crick suggèrent que la molécule est une double hélice, où les groupes phosphate forment un squelette externe et les bases se projettent vers l'intérieur.

L'analogie d'une échelle est généralement utilisée, où les mains courantes correspondent aux groupes phosphate et les échelons aux bases.

Découverte du séquençage de l'ADN

Au cours des deux dernières décennies, des progrès extraordinaires en biologie ont eu lieu, sous l'impulsion du séquençage de l'ADN. Grâce aux progrès technologiques, nous disposons aujourd'hui de la technologie nécessaire pour connaître la séquence d'ADN avec une assez grande précision - par «séquence», nous entendons l'ordre des bases.

Au départ, élucider la séquence était un événement coûteux et a pris beaucoup de temps. Actuellement, connaître la séquence de génomes entiers n'est pas un problème.

caractéristiques

Charge et solubilité

Comme son nom l'indique, la nature des acides nucléiques est acide et ce sont des molécules à haute solubilité dans l'eau; c'est-à-dire qu'ils sont hydrophiles. Au pH physiologique, la molécule est chargée négativement, en raison de la présence de groupes phosphate.

En conséquence, les protéines auxquelles l'ADN est associé sont riches en résidus d'acides aminés à charges positives. L'association correcte de l'ADN est cruciale pour son conditionnement dans les cellules.

Viscosité

La viscosité de l'acide nucléique dépend du fait qu'il soit double ou simple bande. L'ADN double bande forme des solutions de haute viscosité, car sa structure est rigide et résistante à la déformation. De plus, ce sont des molécules extrêmement longues par rapport à leur diamètre.

En revanche, il existe également des solutions d'acide nucléique à bande unique, qui se caractérisent par une faible viscosité.

Stabilité

Une autre caractéristique des acides nucléiques est leur stabilité. Naturellement, une molécule avec une tâche aussi indispensable que le stockage de l'hérédité doit être très stable.

Comparativement, l'ADN est plus stable que l'ARN, car il n'a pas de groupe hydroxyle.

Il est possible que cette caractéristique chimique ait joué un rôle important dans l'évolution des acides nucléiques et dans le choix de l'ADN comme matériel héréditaire.

Selon les transitions hypothétiques proposées par certains auteurs, l'ARN a été remplacé par l'ADN dans le processus évolutif. Cependant, aujourd'hui, certains virus utilisent l'ARN comme matériel génétique.

Absorption de la lumière ultraviolette

L'absorption des acides nucléiques dépend également du fait qu'elle soit double ou simple bande. Le pic d'absorption des anneaux dans leur structure est de 260 nanomètres (nm).

Lorsque le brin d'ADN à double bande commence à se séparer, l'absorption à la longueur d'onde susmentionnée augmente, car les anneaux qui composent les nucléotides sont exposés.

Ce paramètre est important pour les biologistes moléculaires en laboratoire, car en mesurant l'absorption, ils peuvent estimer la quantité d'ADN qui existe dans leurs échantillons. D'une manière générale, la connaissance des propriétés de l'ADN contribue à sa purification et à son traitement en laboratoire.

Classification (types)

Les deux principaux acides nucléiques sont l'ADN et l'ARN. Les deux sont des composants de tous les êtres vivants. ADN signifie acide désoxyribonucléique et ARN acide ribonucléique. Les deux molécules jouent un rôle fondamental dans l'hérédité et la synthèse des protéines.

L'ADN est la molécule qui stocke toutes les informations nécessaires au développement d'un organisme, et est regroupée en unités fonctionnelles appelées gènes. L'ARN est responsable de la prise de ces informations et, avec les complexes protéiques, traduit les informations d'une chaîne de nucléotides en une chaîne d'acides aminés.

Les brins d'ARN peuvent mesurer quelques centaines ou quelques milliers de nucléotides, tandis que les brins d'ADN dépassent des millions de nucléotides et peuvent être visualisés à la lumière d'un microscope optique s'ils sont colorés avec des colorants.

Les différences structurelles de base entre les deux molécules seront détaillées dans la section suivante.

ARN

Dans les cellules, il existe différents types d'ARN qui travaillent ensemble pour orchestrer la synthèse des protéines. Les trois principaux types d'ARN sont le messager, le ribosomal et le transfert.

ARN messager

L'ARN messager est chargé de copier le message qui existe dans l'ADN et de le transporter vers la synthèse protéique qui a lieu dans des structures appelées ribosomes.

ARN ribosomal ou ribosomal

L'ARN ribosomal fait partie de cette machinerie essentielle: le ribosome. Sur le ribosome, 60% est constitué d'ARN ribosomique et le reste est occupé par près de 80 protéines différentes.

Transfert d'ARN

L'ARN de transfert est une sorte d'adaptateur moléculaire qui transporte les acides aminés (les éléments constitutifs des protéines) vers le ribosome, à incorporer.

Petit ARN

En plus de ces trois types de base, il existe un certain nombre d'ARN supplémentaires récemment découverts qui jouent un rôle essentiel dans la synthèse des protéines et l'expression des gènes.

Les petits ARN nucléaires, abrégés en snRNA, participent en tant qu'entités catalytiques à l'épissage (processus qui consiste en l'élimination des introns) de l'ARN messager.

Les petits ARN nucléolaires ou snoRNA sont impliqués dans le traitement des transcrits d'ARN pré-ribosomiques qui font partie de la sous-unité ribosomale. Cela se produit dans le nucléole.

Les ARN et microARN interférents courts sont de petites séquences d'ARN dont le rôle principal est la modulation de l'expression génique. Les microARN sont codés à partir de l'ADN, mais leur traduction en protéines ne se poursuit pas. Ils sont monocaténaires et peuvent compléter un ARN message, inhibant sa traduction en protéines.

Structure et composition chimique

Les acides nucléiques sont de longues chaînes polymères constituées d'unités monomères appelées nucléotides. Chacun est composé de:

Un groupe phosphate

Il existe quatre types de nucléotides et ils ont une structure commune: un groupe phosphate lié à un pentose par une liaison phosphodiester. La présence de phosphates confère à la molécule un caractère acide. Le groupe phosphate est dissocié au pH de la cellule, il est donc chargé négativement.

Cette charge négative permet l'association d'acides nucléiques avec des molécules dont la charge est positive.

De petites quantités de nucléosides peuvent être trouvées à l'intérieur des cellules et également dans les fluides extracellulaires. Ce sont des molécules constituées de tous les composants d'un nucléotide, mais qui sont dépourvues de groupes phosphate.

Selon cette nomenclature, un nucléotide est un nucléoside qui possède un, deux ou trois groupements phosphate estérifiés au niveau de l'hydroxyle situé au niveau du carbone 5 '. Les nucléosides à trois phosphates sont impliqués dans la synthèse des acides nucléiques, bien qu'ils remplissent également d'autres fonctions dans la cellule.

Un pentose

Un pentose est un glucide monomère composé de cinq atomes de carbone. Dans l'ADN, le pentose est un désoxyribose, qui se caractérise par la perte d'un groupe hydroxyle au carbone 2 '. Dans l'ARN, le pentose est un ribose.

Une base azotée

Le pentose est à son tour lié à une base organique. L'identité du nucléotide est fournie par l'identité de la base. Il existe cinq types, abrégés par leurs initiales: l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C), la thymine (T) et l'uracile (U).

Il est courant dans la littérature que nous trouvons que ces cinq lettres sont utilisées pour désigner le nucléotide entier. Cependant, à proprement parler, ce ne sont qu'une partie du nucléotide.

Les trois premiers, A, G et C, sont communs à l'ADN et à l'ARN. Alors que T est unique à l'ADN et que l'uracile est limité à la molécule d'ARN.

Structurellement, les bases sont des composés chimiques hétérocycliques dont les anneaux sont constitués de molécules de carbone et d'azote. A et G sont formés par une paire d'anneaux fusionnés et appartiennent au groupe des purines. Les bases restantes appartiennent aux pyrimidines et leur structure est constituée d'un seul anneau.

Il est courant que dans les deux types d'acides nucléiques, nous trouvons une série de bases modifiées, comme un groupe méthyle supplémentaire.

Lorsque cet événement se produit, nous disons que la base est méthylée. Chez les procaryotes, on trouve généralement des adénines méthylées, et chez les procaryotes et les eucaryotes, les cytosines peuvent avoir un groupe méthyle supplémentaire.

Comment se produit la polymérisation?

Comme nous l'avons mentionné, les acides nucléiques sont de longues chaînes constituées de monomères - nucléotides. Pour former les chaînes, celles-ci sont liées d'une manière particulière.

Lorsque les nucléotides polymérisent, le groupe hydroxyle (-OH) trouvé sur le carbone 3 'du sucre de l'un des nucléotides forme une liaison ester avec le groupe phosphate d'une autre molécule nucléotidique. Lors de la formation de cette liaison, l'élimination d'une molécule d'eau se produit.

Ce type de réaction est appelé «réaction de condensation», et il est très similaire à celui qui se produit lorsque des liaisons peptidiques dans les protéines se forment entre deux résidus d'acides aminés. Les liaisons entre chaque paire de nucléotides sont appelées liaisons phosphodiester.

Comme dans les polypeptides, les chaînes d'acide nucléique ont deux orientations chimiques à leurs extrémités: l'une est l'extrémité 5 'qui contient un groupe hydroxyle libre ou un groupe phosphate sur le carbone 5' du sucre terminal, tandis qu'à l'extrémité 3 «Nous trouvons un groupe hydroxyle libre de carbone 3».

Imaginons que chaque bloc d'ADN soit un ensemble Lego, avec une extrémité qui est insérée et avec un trou libre où l'insertion d'un autre bloc peut se produire. L'extrémité 5 'avec le phosphate sera l'extrémité à insérer et le 3' est analogue au trou libre.

Autres nucléotides

Dans la cellule, on trouve un autre type de nucléotides avec une structure différente de celle mentionnée ci-dessus. Bien que ceux-ci ne fassent pas partie des acides nucléiques, ils jouent des rôles biologiques très importants.

Parmi les plus pertinents, nous avons le mononucléotide de riboflavine, connu sous le nom de FMN, la coenzyme A, l'adénine dinucléotide et la nicotinamine, entre autres.

Structure de l'ARN

La structure linéaire du polymère d'acide nucléique correspond à la structure primaire de ces molécules. Les polynucléotides ont également la capacité de former des réseaux tridimensionnels stabilisés par des forces non covalentes - similaires au repliement trouvé dans les protéines.

Bien que la composition primaire de l'ADN et de l'ARN soit assez similaire (à l'exception des différences mentionnées ci-dessus), la composition de leur structure est nettement différente. Les ARN se trouvent généralement sous la forme d'une seule chaîne nucléotidique, bien qu'elle puisse prendre des arrangements différents.

Les ARN de transfert, par exemple, sont de petites molécules composées de moins de 100 nucléotides. Sa structure secondaire typique se présente sous la forme d'un trèfle à trois bras. Autrement dit, la molécule d'ARN trouve des bases complémentaires à l'intérieur et peut se replier sur elle-même.

Les ARN ribosomaux sont des molécules plus grosses qui prennent des conformations tridimensionnelles complexes et présentent une structure secondaire et tertiaire.

Structure de l'ADN

Double hélice

Contrairement à l'ARN linéaire, l'arrangement de l'ADN se compose de deux brins entrelacés. Cette différence structurelle est cruciale pour remplir ses fonctions spécifiques. L'ARN n'est pas capable de former ce type d'hélices en raison d'un encombrement stérique imposé par le groupe OH supplémentaire que présente son sucre.

Complémentarité de base

Il existe une complémentarité entre les bases. C'est-à-dire qu'en raison de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique, les purines doivent s'associer à une pyrimidine par des liaisons hydrogène. Pour cette raison, dans l'ADN naturel, nous constatons que A est presque toujours associé à T et G avec C, formant des liaisons hydrogène avec leurs partenaires.

Les paires de bases entre G et C sont liées par trois liaisons hydrogène, tandis que la paire A et T sont plus faibles et seules deux liaisons hydrogène les maintiennent ensemble.

Les brins d'ADN peuvent être séparés (cela se produit à la fois dans la cellule et dans les procédures de laboratoire) et la chaleur requise dépend de la quantité de GC dans la molécule: plus elle est grande, plus il faudra d'énergie pour la séparer.

Orientation des brins

Une autre caractéristique de l'ADN est son orientation opposée: tandis qu'un brin court dans la direction 5'-3 ', son partenaire va dans la direction 3'-5'.

Conformations naturelles et en laboratoire

La structure ou la conformation que nous trouvons normalement dans la nature est appelée ADN B. Cela se caractérise par le fait d'avoir 10,4 nucléotides pour chaque tour, séparés par une distance de 3,4. L'ADN B tourne vers la droite.

Ce motif d'enroulement se traduit par l'apparition de deux sillons, un plus grand et un plus petit.

Dans les acides nucléiques formés en laboratoire (synthétiques), d'autres conformations peuvent être trouvées, qui apparaissent également dans des conditions très spécifiques. Ce sont l'ADN A et l'ADN Z.

La variante A fait également le virage vers la droite, bien qu'elle soit plus courte et un peu plus large que la variante naturelle. La molécule prend cette forme lorsque l'humidité diminue. Il tourne toutes les 11 paires de bases.

La dernière variante est le Z, caractérisé par son étroitesse et sa rotation vers la gauche. Il est formé par un groupe d'hexanucléotides qui sont regroupés en un duplex de chaînes antiparallèles.

Caractéristiques

ADN: molécule d'hérédité

L'ADN est une molécule qui peut stocker des informations. La vie telle que nous la connaissons sur notre planète dépend de la capacité de stocker et de traduire ces informations.

Pour la cellule, l'ADN est une sorte de bibliothèque où se trouvent toutes les instructions nécessaires à la fabrication, au développement et à la maintenance d'un organisme vivant.

Dans la molécule d'ADN, nous trouvons une organisation d'entités fonctionnelles discrètes appelées gènes. Certains d'entre eux seront transportés jusqu'aux protéines, tandis que d'autres rempliront des fonctions de régulation.

La structure de l'ADN que nous décrivons dans la section précédente est essentielle pour remplir ses fonctions. L'hélice doit pouvoir se séparer et se joindre facilement - une propriété clé pour les événements de réplication et de transcription.

L'ADN se trouve chez les procaryotes à un site spécifique de leur cytoplasme, tandis que chez les eucaryotes, il est situé dans le noyau.

L'ARN: une molécule multifonctionnelle

Rôle dans la synthèse des protéines

L'ARN est un acide nucléique que l'on retrouve à différentes étapes de la synthèse protéique et de la régulation de l'expression génique.

La synthèse des protéines commence par la transcription du message crypté dans l'ADN en une molécule d'ARN messager. Ensuite, le messager doit éliminer les parties qui ne seront pas traduites, connues sous le nom d'introns.

Pour la traduction du message ARN en résidus d'acides aminés, deux composants supplémentaires sont nécessaires: l'ARN ribosomal qui fait partie des ribosomes et l'ARN de transfert, qui portera les acides aminés et sera responsable de l'insertion de l'acide aminé correct dans la chaîne peptidique. Dans la formation.

En d'autres termes, chaque type majeur d'ARN joue un rôle essentiel dans ce processus. Ce passage de l'ADN à l'ARN messager et enfin aux protéines est ce que les biologistes appellent «le dogme central de la biologie».

Cependant, comme la science ne peut pas être basée sur des dogmes, il existe différents cas où cette prémisse n'est pas remplie, comme les rétrovirus.

Rôle dans la régulation

Les petits ARN mentionnés ci-dessus sont indirectement impliqués dans la synthèse, orchestrant la synthèse d'ARN messager et participant à la régulation de l'expression.

Par exemple, dans la cellule, il existe différents ARN messagers qui sont régulés par de petits ARN, qui ont une séquence complémentaire à celle-ci. Si le petit ARN s'attache au message, il peut cliver le messager, empêchant ainsi sa traduction. Il existe plusieurs processus qui sont réglementés de cette manière.

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