Biologie pour les non-majors I

Ce que vous apprendrez à faire : Expliquer comment l’ADN stocke l’information génétique

La structure unique de l’ADN est la clé de sa capacité à stocker et à répliquer l’information génétique:

Figure 1

Dans ce résultat, vous apprendrez à décrire la structure en double hélice de l’ADN : son squelette sucre-phosphate en échelle avec des « barreaux » de base azotée d’échelle.

Structure de l’ADN

Les éléments constitutifs de l’ADN sont les nucléotides. Les composants importants de chaque nucléotide sont une base azotée, le désoxyribose (sucre à 5 carbones) et un groupe phosphate (voir figure 2). Chaque nucléotide est nommé en fonction de sa base azotée. La base azotée peut être une purine, comme l’adénine (A) et la guanine (G), ou une pyrimidine, comme la cytosine (C) et la thymine (T). L’uracile (U) est également une pyrimidine (comme on le voit sur la figure 2), mais il n’est présent que dans l’ARN, dont nous parlerons plus tard.

Figure 2. Chaque nucléotide est constitué d’un sucre, d’un groupe phosphate et d’une base azotée. Le sucre est le désoxyribose dans l’ADN et le ribose dans l’ARN.

Les nucléotides se combinent entre eux par des liaisons covalentes appelées liaisons ou liens phosphodiester. Le résidu phosphate est attaché au groupe hydroxyle du carbone 5′ d’un sucre d’un nucléotide et au groupe hydroxyle du carbone 3′ du sucre du nucléotide suivant, formant ainsi une liaison 5′-3′ phosphodiester.

Dans les années 1950, Francis Crick et James Watson ont travaillé ensemble pour déterminer la structure de l’ADN à l’université de Cambridge, en Angleterre. D’autres scientifiques comme Linus Pauling et Maurice Wilkins exploraient aussi activement ce domaine. Pauling avait découvert la structure secondaire des protéines en utilisant la cristallographie aux rayons X. Dans le laboratoire de Wilkins, la chercheuse Rosalind Franklin utilisait des méthodes de diffraction des rayons X pour comprendre la structure de l’ADN. Watson et Crick ont pu reconstituer le puzzle de la molécule d’ADN sur la base des données de Franklin, car Crick avait également étudié la diffraction des rayons X (figure 3). En 1962, James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins ont reçu le prix Nobel de médecine. Malheureusement, Franklin était déjà mort et les prix Nobel ne sont pas décernés à titre posthume.

Figure 3. Les travaux des scientifiques pionniers (a) James Watson, Francis Crick et Maclyn McCarty ont conduit à notre compréhension actuelle de l’ADN. La scientifique Rosalind Franklin a découvert (b) le diagramme de diffraction des rayons X de l’ADN, ce qui a permis d’élucider sa structure en double hélice. (crédit a : modification du travail de Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson et Crick ont proposé que l’ADN soit constitué de deux brins qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une hélice droite. L’appariement des bases a lieu entre une purine et une pyrimidine ; à savoir, A s’apparie avec T et G avec C. L’adénine et la thymine sont des paires de bases complémentaires, et la cytosine et la guanine sont également des paires de bases complémentaires. Les paires de bases sont stabilisées par des liaisons hydrogène ; l’adénine et la thymine forment deux liaisons hydrogène et la cytosine et la guanine trois liaisons hydrogène. Les deux brins sont de nature antiparallèle, c’est-à-dire que l’extrémité 3′ d’un brin fait face à l’extrémité 5′ de l’autre brin. Le sucre et le phosphate des nucléotides forment le squelette de la structure, tandis que les bases azotées sont empilées à l’intérieur. Chaque paire de bases est séparée de l’autre paire de bases par une distance de 0,34 nm, et chaque tour de l’hélice mesure 3,4 nm. Par conséquent, dix paires de bases sont présentes par tour d’hélice. Le diamètre de la double hélice d’ADN est de 2 nm, et il est uniforme sur toute sa longueur. Seul l’appariement entre une purine et une pyrimidine peut expliquer ce diamètre uniforme. La torsion des deux brins l’un autour de l’autre entraîne la formation de sillons majeurs et mineurs uniformément espacés (figure 4).

Figure 4. L’ADN possède (a) une structure en double hélice et (b) des liaisons phosphodiester. Les (c) sillons majeurs et mineurs sont des sites de liaison pour les protéines de liaison à l’ADN au cours de processus tels que la transcription (la copie de l’ARN à partir de l’ADN) et la réplication.

Information génétique

L’information génétique d’un organisme est stockée dans des molécules d’ADN. Comment un seul type de molécule peut-il contenir toutes les instructions permettant de fabriquer des êtres vivants compliqués comme nous ? Quel composant ou quelle caractéristique de l’ADN peut contenir cette information ? Elle doit provenir des bases azotées, car, comme vous le savez déjà, le squelette de toutes les molécules d’ADN est le même. Mais il n’y a que quatre bases dans l’ADN : G, A, C et T. La séquence de ces quatre bases peut fournir toutes les instructions nécessaires à la construction de tout organisme vivant. Il peut être difficile d’imaginer que 4 « lettres » différentes puissent communiquer autant d’informations. Mais pensez à la langue anglaise, qui peut représenter une énorme quantité d’informations en utilisant seulement 26 lettres. Le code binaire utilisé pour écrire les programmes informatiques est encore plus profond. Ce code ne contient que des uns et des zéros, et pensez à toutes les choses que votre ordinateur peut faire. L’alphabet de l’ADN peut coder des instructions très complexes en utilisant seulement quatre lettres, mais les messages finissent par être très longs. Par exemple, la bactérie E. coli transporte ses instructions génétiques dans une molécule d’ADN qui contient plus de cinq millions de nucléotides. Le génome humain (tout l’ADN d’un organisme) est constitué d’environ trois milliards de nucléotides répartis entre 23 molécules d’ADN appariées, ou chromosomes.

L’information stockée dans l’ordre des bases est organisée en gènes : chaque gène contient l’information permettant de fabriquer un produit fonctionnel. L’information génétique est d’abord copiée sur un autre polymère d’acide nucléique, l’ARN (acide ribonucléique), en préservant l’ordre des bases nucléotidiques. Les gènes qui contiennent des instructions pour la fabrication de protéines sont convertis en ARN messager (ARNm). Certains gènes spécialisés contiennent des instructions pour fabriquer des molécules d’ARN fonctionnelles qui ne fabriquent pas de protéines. Ces molécules d’ARN fonctionnent en affectant directement les processus cellulaires ; par exemple, certaines de ces molécules d’ARN régulent l’expression de l’ARNm. D’autres gènes produisent des molécules d’ARN qui sont nécessaires à la synthèse des protéines, l’ARN de transfert (ARNt) et l’ARN ribosomal (ARNr).

Pour que l’ADN fonctionne efficacement au stockage de l’information, deux processus clés sont nécessaires. Premièrement, les informations stockées dans la molécule d’ADN doivent être copiées, avec un minimum d’erreurs, chaque fois qu’une cellule se divise. Cela garantit que les deux cellules filles héritent de l’ensemble des informations génétiques de la cellule mère. Deuxièmement, les informations stockées dans la molécule d’ADN doivent être traduites, ou exprimées. Pour que l’information stockée soit utile, les cellules doivent pouvoir accéder aux instructions de fabrication de protéines spécifiques, afin que les bonnes protéines soient fabriquées au bon endroit et au bon moment.

Figure 5. La double hélice de l’ADN. Graphique modifié à partir de « DNA chemical structure », par Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

La copie et la lecture des informations stockées dans l’ADN reposent toutes deux sur l’appariement des bases entre deux brins polymères d’acide nucléique. Rappelons que la structure de l’ADN est une double hélice (voir figure 5).

Le sucre désoxyribose avec le groupe phosphate forme l’échafaudage ou le squelette de la molécule (surligné en jaune dans la figure 5). Les bases sont dirigées vers l’intérieur. Les bases complémentaires forment des liaisons hydrogène les unes avec les autres au sein de la double hélice. Voyez comment les plus grandes bases (purines) s’associent aux plus petites (pyrimidines). Cela permet de maintenir constante la largeur de la double hélice. Plus précisément, A s’apparie avec T et C s’apparie avec G. Lorsque nous discuterons de la fonction de l’ADN dans les sections suivantes, gardez à l’esprit qu’il existe une raison chimique à l’appariement spécifique des bases.

Pour illustrer le lien entre l’information contenue dans l’ADN et une caractéristique observable d’un organisme, considérons un gène qui fournit les instructions pour construire l’hormone insuline. L’insuline est responsable de la régulation du taux de sucre dans le sang. Le gène de l’insuline contient les instructions pour assembler la protéine insuline à partir d’acides aminés individuels. Une modification de la séquence des nucléotides dans la molécule d’ADN peut modifier les acides aminés de la protéine finale, entraînant un dysfonctionnement de la protéine. Si l’insuline ne fonctionne pas correctement, elle peut être incapable de se lier à une autre protéine (récepteur d’insuline). Au niveau de l’organisation de l’organisme, cet événement moléculaire (changement de la séquence d’ADN) peut conduire à un état pathologique – dans ce cas, le diabète.

Vérifiez votre compréhension

Répondez à la ou aux questions ci-dessous pour voir dans quelle mesure vous comprenez les sujets abordés dans la section précédente. Ce court questionnaire ne compte pas pour votre note dans le cours, et vous pouvez le reprendre un nombre illimité de fois.

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