Acide désoxyribonucléique

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L'ADN, sigle de acide désoxyribonucléique, est une longue molécule que l'on retrouve dans tous les organismes. L'ADN est présent dans le noyau des cellules eucaryotes, les cellules procaryotes, dans les mitochondries ainsi que dans les chloroplastes. Les organismes vivants les plus simples, les virus, sont constitués essentiellement d'une enveloppe (elle-même constituée de protéines) et d'un brin d'ADN (ou d'ARN). On dit que l'ADN est le support de l'hérédité car cette molécule a la faculté de se reproduire et d'être transmise aux descendants lors des processus de reproduction des organismes vivants. Il est à la base de processus biologiques importants aboutissant à la production des protéines. D'un point de vue chimique, l'ADN est un acide faible.

Sommaire

1 Structure
2 Découverte
3 Différents types d'ADN
4 Différents types d'enzymes liées à l'ADN
5 Voir aussi

Structure

Image:StructuredelADN.png

Une structure en forme de double hélice (découverte en 1953 par James Dewey Watson, Francis Crick et coll. et en partie grâce aux travaux de Rosalind Franklin).

Un polymère de bases désoxyribonucléiques est constitué de répétitions de nucléosides formés d'un groupe phosphate lié à un sucre, le désoxyribose, et à une base azotée A, T, C ou G. Le squelette est formé de la répétition sucre - phosphate, ce qui change est la base.

Bases azotées

Quatre bases ont été identifiées : l’adénine (A) et la guanine (G) font partie de la famille des purines. La thymine (T) et la cytosine (C) sont de la famille des pyrimidines. Elles sont complémentaires entre elles et uniquement associables l’une avec l’autre. Un « brin » d'ADN est formé de la répétition ordonnée de ces quatre bases.

Image:Adenine chemical structure.png

Image:Guanine chemical structure.png

Image:Thymine chemical structure.png

Image:Cytosine chemical structure.png

Complémentarité des brins d'ADN

Les deux brins antiparallèles d'ADN sont toujours étroitement reliés entre eux par des liaisons hydrogène (également appelées ponts hydrogène ou encore simplement liaisons H ou ponts H) formées entre les bases complémentaires A-T et G-C. Ces deux brins d'ADN sont dit complémentaires car les purines (Adénine et Guanine) d'un brin font toujours face à des pyrimidines de l'autre brin (Thymine et Cytosine). L'adénine est complémentaire à la thymine et la guanine est complémentaires à la cytosine. Deux liaisons hydrogène retiennent ensemble la paire A-T et trois retiennent la paire G-C

Propriétés physico-chimiques

Fusion

La température de fusion des acides nucléiques comme l'ADN est la température pour laquelle les deux brins se désapparient. L'énergie thermique apportée devient alors suffisante pour rompre les liaisons H interbrins. Cette température dépend donc de la quantité de liaisons hydrogènes présentes. Plusieurs formules empiriques permettent de calculer la valeur de la temperature de fusion. Elles tiennent compte du pourcentage de base (G+C), de la salinité du milieu ainsi que de divers facteurs correctifs, tels que la presence de structures secondaires intra ou extra moléculaires (repliement de l'ADN sur lui même, formation d'appariements entre deux brins). La connaissance de la température de fusion est un élement important au laboratoire lorsqu'il s'agit de faire de la PCR par exemple.

Un lien hydrogène est une mise en commun d'un proton entre un accepteur et un donneur. Plus il y a de liaisons hydrogenes dans une molécule d'ADN, plus l'énergie de liaion est élevée et plus sa température de fusion sera élevée.

Ainsi une molécule double brin composée uniquement de C-G (3 liens H) nécessitera plus d'énergie pour être ouverte qu'un ADN de même taille composé de A-T (2 liens H). Ceci explique pourquoi la température de fusion de l'ADN varie en fonction de deux facteurs principaux :

sa taille (exprimée en nombre de bases, généralement en kilobase kb ou mégabase Mb ...)

son rapport (A+T)/(C+G) qui donne un indice des proportions de paires A-T versus C-G.

Réplication de l'ADN

Image:Dna-split.png

Les expériences de Meselson et Stahl ont démontré que la réplication de l'ADN est de type semi-conservatif. Chacunes des deux molécule d'ADN fille hérite d'un brin de l'ADN mère ou parentale tandis que l'autre est synthestisé à partir de nucléotides libres.

Les paires de bases sont désappariées par rupture des liaisons hydrogènes de l'ADN par une enzyme appelée ADN polymerase. Une fourche de réplication va alors se former donnant 2 brins d'ADN distincts qui par le biais de la complémentarité vont édifier 2 nouvelles molécules d'ADN composées chacune d'un brin de l'ancienne molécule et d'un brin nouvellement formé.

Transcription

Chez les procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau), tels que les bactéries, l’ADN est présent sous la forme d’un seul chromosome circulaire superenroulés (à la manière d'un cordon téléphonique). Cet ADN circulaire peut se compacter encore plus en faisant des super-hélices et ceci va donner une structure nommée nucleoïde.

Chez les eucaryotes, l’ADN est généralement sous forme de plusieurs chromosomes linéaires. Cet ADN se situe dans le noyau et lorsqu’il est compacté et associé à des protéines telles des histones, il se nomme chromatine.

Même si pour les procaryotes et les eucaryotes, l'ADN ne se trouve pas sous la même forme, il renferme dans les 2 cas l'information génétique, c'est à dire que des zones de l'ADN appelé “gène” code pour les protéines. Mais comment une séquence d'acides nucléiques peut-elle coder une séquence d'acides aminés ? En fait, lorsque la cellule aura besoin de protéines (par exemple des protéines de structure lors de sa division, ou des enzymes pour fabriquer les molécules dont elle a besoin pour fonctionner), elle va transcrire, c'est à dire recopier une partie de ses gènes (i.e. les gènes codant pour les protéines d'intérêt) sous forme d'ARN grâce à une enzyme nommée “ARN polymérase ADN dépendante de type II”. Cette enzyme va produire un ARM messager (ARNm) identique à la séquence d'ADN (par ex : ATGTCTTTATGT....TAG) du gène. L'existence de l'ARNm a été demontrée par Jacques Monod et collaborateur, ce qui lui valut le prix Nobel de Médecine en 1965. A l'inverse de l'ADN, l'ARNm n'est pas sous forme de double hélice et il adopte des strutures secondaires complexes. Il est moins stable que l'ADN, c'est à dire qu'il est dégradé plus facilement, de par la presence d'un ribose à la place d'un desoxyribose. Le ribose est très sensible à l'hydrolyse alcaline tandis que le desoxyribose y est totalement insensible. Cet ARNm sera traduit en protéine au niveau des ribosomes du réticulum endoplasmique. Ces ribosomes vont décoder l'ARNm, c'est à dire le code ATG TCT CTT ... pour assembler les acides aminés correspondant et faire une protéine. Le ribosome est complexe multiprotéique comprenant des ARN ribosomiaux (non codant). Chez les eucoaryotes, les ARNm sont d'abord maturés avant d'être traduits, grâce à des ARNsn (snRNA en anglais, petits ARN nucléaires)... La transcription est un processus complexe et l'élucidation de ses mecanismes fut l'une des grandes avancées de la biologie de la seconde moitie du 20e siecle. C'est un processus hautement régulé, notament grâce à des protéines appelé facteurs de transcription qui, en réponse à des hormones par exemple, vont permettre la transcription de gènes cibles (par exemple les gènes exprimés quand la cellule reçoit des oestrogènes, ou de la progesterone, des hormones dites sexuelles). Une dérégulation des mécanismes de régulation et la machinerie s'embale, les ARN sont transcrits de manière anarchique, les protéines sont présentes en excès, entrainant un fonctionnement aberrant des cellules, une fonctionnement cancéreux. En effet, dans un grand nombre de cancers, la transcription de certains gènes est altéré, ce qui entraine un déreglement total de la cellule.

Découverte

C'est au laboratoire Cavendish de Cambridge, le 25 avril 1953, que James Watson, alors âgé de 25 ans, Francis Crick, physicien de formation, et Rosalind Franklin, qui n'obtint pas le prix Nobel pour diverses raisons , ont établis par rayons X la structure en double hélice de l'ADN. Ils s'appuiyerent sur plusieurs faits établis :

La complémentarité des bases a été suggérée, en 1949, par les règles d'équivalence de Chargaff : pour une espèce donnée la quantité de A et T, ainsi que la quantité de C et G sont sensiblement égales. Exemple chez l'homme : A=30,4% & T=30,1% ; C=19,6% & G=19,9%.
Linus Pauling a tout juste élucidé l'organisation de la protéine kératine sous forme d'hélice.
En combinant ces données, James Watson et Francis Crick ont construit avec des tiges métalliques le premier modèle en double hélice de l'ADN.

Différents types d'ADN

On distingue les différents types d'ADN suivants :

ADN-A : forme d’ADN trouvée dans certaines régions d'ADN naturel, lorsque le degré d'hydratation est plus faible ou en présence de grande concentration de cations (Mg++, Ca+). Il s'agit d'une forme plus distendue pour laquelle les base azotées sont plus éloignés les unes des autres.
ADN antisens : un des deux brins d'ADN double-brin, généralement le complémentaire (d’où anti) à l’ARNm, c'est-à-dire le brin non-transcrit. Pourtant, il n'y a pas un accord universel sur cette convention et les désignations préférées sont brin codant pour le brin dont la séquence est celle de l’ARNm, et brin noncodant ou brin matriciel pour le brin complémentaire (c'est-à-dire la matrice de transcription).
ADN avec brèches : molécule d’ADN double brin ayant une ou plusieurs régions simple brin.
ADN-B : forme d’ADN trouvée généralement dans la nature: une hélice droite.
ADN biotinylé : molécule d’ADN marquée à la biotine par l’incorporation d’un nucléotide biotinylé (généralement l’uracile) dans la molécule d’ADN. La détection de l’ADN marqué est réalisée par la formation d’un complexe avec la streptavidine sur laquelle a été attaché un agent colorant tel que la péroxidase qui donne une couleur verte fluorescente suite à une réaction avec différents réactifs organiques.
ADN chimère : ADN recombiné formé de fragments d'origines diverses.
ADN circulaire : ADN formant une molécule circulaire. Dans le cas d'ADN circulaire double brin, on distingue les molécules ouvertes, dites relâchées (ou déroulées : un brin est coupé) et les molécules fermées (sans extrémités libres) qui souvent sont superenroulées.
ADN circulaire fermé de façon covalente ou ADNccc (Covalently-Closed Circular DNA) : molécule d’ADN dont les extrémités libres sont ligaturées pour former un cercle. Les brins restent liés ensemble même après la dénaturation. Les plasmides se présentent sous cette forme in vivo. Dans sa forme native, l’ADNccc adaptera une configuration superenroulée.
ADN chloroplastique : l’ADN présent dans le chloroplaste. Même si le chloroplaste possède un petit génome, le grand nombre de chloroplastes par cellule implique une proportion significative d’ADN chloroplastique par rapport à l’ADN total dans une cellule végétale.
ADN complémentaire ou ADNc : ADN simple brin, qui est une copie d'un ARN obtenu par une transcription inverse. L'ADNc double brin résulte de la copie du premier brin par une ADN polymérase.
ADN complémentaire double brinc ou ADNcdb : molécule d’ADN double brin produite à partir d’un ADNc matrice.
ADN dénaturé : ADN double brin qui a été converti en simple brin par cassure des liaisons hydrogènes liant les paires de nucléotides complémentaires. Souvent réversible. Réalisé généralement par la chaleur.
ADN double brin ou ADN duplex ou ADNdb : deux brins complémentaires d’ADN reliés sous la forme d’une double hélice.
ADN en zigzag ou ADNz : duplex d'ADN dans lequel la double hélice est enroulée par la gauche au lieu de la droite, les bases azotées sont alors tournés vers le milieu extérieur. L'ADN adopte cette configuration en zigzag quand les purines et les pyrimidines alternent sur le même brin, par exemple 5'CGCGCGCG 3' ou 3'GCGCGCGC 5'. L'ADN en zigzag existe dans les chromosomes d'eucaryotes, mais sa fonction n'est pas encore connue.
ADN espaceur : séquence d'ADN non transcrit, séparant les gènes à l'intérieur des unités répétées.
ADN étranger : ADN exogène incorporé dans un génome hôte.
ADN exogène : ADN dérivé d’un organisme, et destiné à être introduit dans une cellule d’une espèce différente. Fait aussi allusion à un ADN étranger ou ADN hétérologue.
ADN homoduplex : molécule d’ADN double brin, à brins entièrement complémentaires.
ADN hybride : molécule d'ADN composée de deux brins d'origines distinctes.
ADN mitochondrial ou ADNmt : ADN circulaire présent dans les mitochondries. Chez les mammifères, l’ADNmt représente moins de 1% de l’ADN total, mais dans les plantes, la quantité est variable. Il code pour l’ARNr et l’ARNt et quelques protéines mitochondriales (jusqu'à 30 chez les animaux).
ADN non répétitif : séquences d'ADN présentes dans le génome en un petit nombre de copies. Cet ADN présente la cinétique de réassociation attendue pour des séquences uniques, et se caractérise par une valeur de Cot élevée (concentration en ADN double brin en fonction du produit de la concentration totale en ADN (Co) par le temps d'incubation (t) dans des conditions déterminées).
ADN porteur : ADN de séquence indéterminée qui est ajouté à l’ADN transformant (plasmide) utilisé dans les procédures de transfert physique d’ADN. Cet ADN additionnel augmente l’efficacité de transformation par électroporation et par des méthodes chimiques. Le mécanisme d’action est inconnu.
ADN recombinant : résultat de la combinaison de fragments d’ADN provenant de sources différentes.
ADN recombiné : molécule d'ADN dans laquelle des séquences qui ne sont pas naturellement contiguës sont juxtaposées par manipulation in vitro.
ADN répétitif ou ADN « poubelle » : séquences d'ADN identiques ou quasi identiques, qui se répètent un très grand nombre de fois dans le génome, dont certaines sont le résultat de l’activité d’un rétrotransposon. Une proportion importante de tous les génomes eucaryotes est composée de cette classe d’ADN dont la fonction biologique est mal connue.
ADN ribosomique : locus codant l’ARN ribosomique. C'est généralement un locus étendu et complexe, composé typiquement d’un grand nombre d’unités de répétition séparées l’une de l’autre par un espaceur intergénique. Une unité de répétition contient une copie du gène pour chaque ARN ribosomique constituant des ribosomes, séparée l’une de l’autre par un espaceur transcrit interne.
ADN satellite : correspond à des blocs de séquences répétées, d'une longeur de 5 à 2 000pb (pb=paires de bases) correspondant à une taille globale de 100 Kb à environ 5 000 Kb, localisées surtout au niveau des centromères, et non transcrites. Il s'agit d'ADN de l'hétérochromatine centromérique localisée dans tous les chromosomes. Leur fonction est de fixer de nombreuses protéines du centromère impliquées dans la fonction d'organisation et de ségrégation des chromosomes lors de la mitose.
ADN simple brin ou ADNss (single-stranded DNA) : molécules d’ADN séparées de leur brin complémentaire, suite à son absence ou à une dénaturation.
ADN source : ADN d’un organisme qui contient un gène cible, et utilisé comme matériel de départ dans une expérience de clonage.
ADN superenroulé ou ADN superhélicoïdal ou ADN surenroulé : ADN ayant une configuration en superhélice.
ADN-T : segment d’ADN du plasmide Ti ou Ri, présent chez les agents pathogènes Agrobacterium tumefaciens et A. rhizogenes, transféré aux cellules végétales et inséré dans leur ADN faisant ainsi partie du processus d’infection. Le type sauvage de l’ADN-T code pour les enzymes qui induisent chez les plantes la synthèse des opines spécifiques nécessaires pour la croissance bactérienne. Dans les ADN-T modifiés, ces gènes sont remplacés par un/des transgène(s).
ADN-Z

Différents types d'enzymes liées à l'ADN

ADN hélicase ou gyrase : enzyme qui catalyse le déroulement des brins complémentaires d’une double hélice d’ADN.
ADN ligase : enzyme catalysant la liaison entre deux molécules séparées d’ADN, formant des liaisons phosphodiesters entre l’extrémité 3'-hydroxyl de l’une et l’extrémité 5'-phosphate de l’autre. Son rôle naturel réside dans la réparation et la réplication de l’ADN. C'est un outil essentiel dans la technologie de l’ADN recombinant puisqu'elle permet l’incorporation d’ADN étranger dans les vecteurs.
ADN polymérase : enzyme catalysant la polymérisation (5' vers 3') des monocléotides triphosphates qui constituent l'ADN.
ADN primase : enzyme qui catalyse la synthèse de courtes amorces d’ARN à partir desquelles débute la synthèse des brins d’ADN.
ADN topo-isomérase ou topoisomérase : enzyme qui catalyze l’introduction ou l’enlèvement des surenroulements dans l’ADN.