L'ADN nucléaire est le principal support de l'information génétique chez les eucaryotes et réside au coeur du noyau cellulaire. Il contient la vaste majorité des gènes et est responsable de l'hérédité classique.  L'ADN nucléaire est organisé en structures linéaires appelées chromosomes. Chez l'humain, par exemple, l'ADN nucléaire est organisé en 23 paires de chromosomes, soit 46 chromosomes au total dans chaque cellule somatique.

L'ADN a une forme caractéristique de double hélice, un peu comme une échelle torsadée. Cette échelle est faite de deux brins enroulés l'un autour de l'autre. Chaque brin de l'ADN est composé de petites unités appelées nucléotides. Il existe quatre types de nucléotides, chacun identifié par une base azotée (ou nucléobase) : adénine (A), thymine (T),, cytosine (C), guanine (G). L'ordre dans lequel ces bases azotées se succèdent le long de la molécule d'ADN, en formant des séquences appelées gènes, constitue le code génétique. C'est ce code qui détermine les caractéristiques d'un organisme, comme la couleur des yeux, la taille, ou encore certaines prédispositions à des maladies. L'ADN humain renferme autour de 3,4 milliards de nucléobases (certaines plantes peuvent en avoir plus de 100 milliards). 

Base historique de la compréhension moderne.
L'ADN a d'abord été isolé vers 1870 par Friedrich Miescher, qui l'a appelé nucléine parce qu'il était issu de noyaux des globules blancs (Le sang). Les expériences, en 1928, de Frederick Griffith avec des souches de Streptococcus pneumoniae ont fourni le premier indice que l'ADN pourrait être un principe transformant. 

Avery, MacLeod et McCarty (1944) ont ensuite prouvé que l'ADN est effectivement requis pour la transformation des bactéries. 

Des expériences ultérieures par Hershey et Chase (1952) utilisant le bactériophage T2 ont prouvé que l'ADN constitue le matériel génétique. 

Erwin Chargaff a constaté que le rapport de A = T et C = G, et que la teneur en pourcentage de A, T, G et C est différent pour différentes espèces.

Le modèle actuellement accepté de la structure à double hélice de l'ADN a été publié en 1953 par James Watson, Francis Crick et Rosalind Franklin, sur la base des travaux de Maurice Wilkins et Rosalind Franklin. 
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Structure en double hélice de l'ADN.
Le diamètre de la double hélice, 2 nm, est uniforme partout. Le sucre et le phosphate se trouvent à l'extérieur de l'hélice, formant l'épine dorsale de l'ADN. Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme les marches d'un escalier, par paires; les paires sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène. Chaque paire de bases de la double hélice est séparée de 0,34 nm de la paire de bases suivante.  Un tour de l'hélice compte dix paires de bases.

Les deux brins de l'hélice courent dans des directions opposées, ce qui signifie que l'extrémité carbone 5' d'un brin fera face à l'extrémité carbone 3' de son brin correspondant. Ceci est appelé orientation antiparallèle. Cette orientation est importante pour la réplication de l'ADN et dans de nombreuses interactions avec les acides nucléiques.

Seuls certains types d'appariement de base sont autorisés. Par exemple, une certaine purine ne peut être associée qu'à une certaine pyrimidine. Cela signifie que A peut être associé à T et que G peut être associé à C. En d'autres termes, les brins d'ADN sont complémentaires les uns des autres. Si la séquence d'un brin est AATTGGCC, le brin complémentaire aurait la séquence TTAACCGG.
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La réplication de l'ADN
Pendant la division cellulaire, chaque cellule fille reçoit une copie de l'ADN par un processus appelé réplication ou duplication de l'ADN. Comme l'a montré une expérience de Matthew Meselson et Franklin Stahl en 1958, lors de la réplication de l'ADN chacun des deux brins d'ADN parentaux sert de modèle pour le nouvel ADN à synthétiser; après réplication, chaque ADN à double brin comprend un brin parental ou "ancien" et un "nouveau" brin. C'est ce que l'on a appelé la réplication semi-conservatrice. Diverses enzymes interviennent dans la facilitation de cette réplication (hélicase, primase, ADN-polymérase, et ADN-ligase, cette dernière intervenant spécialement dans la réparation des erreurs de réplication et dans la recombinaison génétique). 

Réplication de l'ADN chez les procaryotes.
La plupart des procaryotes contiennent un seul chromosome circulaire. La réplication chez les procaryotes commence à partir d'une séquence trouvée sur ce chromosome appelée l'origine de la réplication - le point auquel l'ADN s'ouvre. Une enzyme, l'hélicase, ouvre la double hélice d'ADN, entraînant la formation de la fourche de réplication. Les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN simple brin près de la fourche de réplication pour garder la fourche ouverte. Une autre enzyme, la primase, synthétise une amorce d'ARN pour initier la synthèse par l'ADN-polymérase, qui ne peut ajouter des nucléotides que dans la direction 5 'à 3'. Un brin est synthétisé en continu dans le sens de la fourche de réplication; c'est ce qu'on appelle le premier volet. L'autre brin est synthétisé dans une direction éloignée de la fourche de réplication, en de courts segments d'ADN appelés fragments d'Okazaki. Ce brin est connu sous le nom de brin retardé. Une fois la réplication terminée, les amorces d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN et l'ADN est scellé avec de l'ADN-ligase, ce qui crée des liaisons phosphodiester entre le 3'-OH d'une extrémité et le phosphate 5 'de l'autre brin.
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Réplication de l'ADN chez les eucaryotes.
La réplication chez les eucaryotes commence à plusieurs origines. Le mécanisme est assez similaire à celui observé chez les procaryotes. Une amorce est nécessaire pour initier la synthèse, qui est ensuite étendue par l'ADN-polymérase lorsqu'elle ajoute des nucléotides un par un à la chaîne en croissance. Le brin principal est synthétisé en continu, tandis que le brin retardé est synthétisé en courtes séquences, les fragments d'Okazaki. Les amorces d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN; l'ADN reste un brin continu en liant les fragments d'ADN avec l'ADN-ligase. Les extrémités des chromosomes posent un problème car la polymérase est incapable de les étendre sans amorce. La télomérase, une enzyme avec une matrice d'ARN intégrée, prolonge les extrémités en copiant la matrice d'ARN et en étendant une extrémité du chromosome. L'ADN-polymérase peut ensuite étendre l'ADN à l'aide de l'amorce. De cette façon, les extrémités des chromosomes sont protégées.

La réparation de l'ADN.
L'ADN-polymérase peut faire des erreurs lors de l'ajout de nucléotides. Il modifie l'ADN en relisant chaque base nouvellement ajoutée. Les bases incorrectes sont supprimées et remplacées par la base correcte, puis une nouvelle base est ajoutée. La plupart des erreurs sont corrigées au cours de la réplication, bien que lorsque cela ne se produit pas, le mécanisme de réparation des disparités sot utilisé. Les enzymes de réparation des mésappariements reconnaissent la base mal incorporée et l'extraient de l'ADN, en la remplaçant par la base correcte. Dans encore un autre type de réparation, la réparation par excision nucléotidique, la base incorrecte est supprimée avec quelques bases à l'extrémité 5 'et 3', et celles-ci sont remplacées en copiant la matrice à l'aide de l'ADN-polymérase. Les extrémités du fragment nouvellement synthétisé sont attachés au reste de l'ADN à l'aide de l'ADN-ligase, ce qui crée une liaison phosphodiester.

La plupart des erreurs sont ainsi corrigées, mais celles qui ne le sont pas peuvent entraîner une mutation définie comme un changement permanent de la séquence d'ADN. Les mutations peuvent être de plusieurs types, comme la substitution, la suppression, l'insertion et la translocation. Des mutations peuvent être induites ou se produire spontanément.

Types d'ADN particuliers.
L'ADN bactérien.
L'ADN bactérien est le matériel génétique des bactéries. Ils se présente généralement sous forme d'un chromosome circulaire unique situé dans le cytoplasme , dans une région appelée nucléoïde. L'ADN bactérien est généralement constitué d'un chromosome unique et circulaire. Ce chromosome contient la majorité des gènes essentiels à la vie de la bactérie.  Il est le support de l'information génétique nécessaire à toutes les fonctions vitales de la bactérie, de sa croissance à sa reproduction, en passant par son métabolisme et sa réponse à l'environnement.. En plus du chromosome principal, les bactéries peuvent également posséder des plasmides. Les plasmides sont de petites molécules d'ADN circulaires, distinctes du chromosome bactérien, et qui se répliquent indépendamment. Les plasmides ne sont pas essentiels à la survie de la bactérie dans des conditions normales, mais ils peuvent porter des gènes qui confèrent des avantages sélec tifs, comme la résistance aux antibiotiques, la capacité à dégrader certaines substances, ou la production de facteurs de virulence. L'ADN bactérien, qu'il soit chromosomique ou plasmidique, est organisé et compacté dans le nucléoïde, même s'il n'est pas enfermé dans une membrane nucléaire. Cette organisation permet de loger une longue molécule d'ADN dans le petit volume de la cellule bactérienne. 

L'ADN mitochondrial.
L'ADN mitochondrial, abrégé en ADNmt, est un type d'ADN présent dans la plupart des cellules eucaryotes animales et végétales, mais distinct de l'ADN nucléaire que l'on trouve dans le noyau des cellules et est beaucoup plus petit que l'ADN nucléaire. Chez l'humain, il compte environ 16 500 paires de bases. Il est situé dans les mitochondries, les organites cellulaires responsables de la production d'énergie par respiration cellulaire. Il possède une structure circulaire à double brin, rappelant celle de l'ADN bactérien, ce qui peut s'expliquer par la la théorie de l'endosymbiose, selon laquelle les mitochondries proviennent d'anciennes bactéries aérobies qui ont été englouties par une cellule eucaryote ancestrale. Au cours de l'évolution, ces bactéries sont devenues des organites cellulaires, conservant une partie de leur propre ADN.

L'ADNmt contient relativement peu de régions non codantes et une forte densité de gènes. Le génome mitochondrial contient de l'information génétique pour la synthèse de certaines protéines, ARN et molécules nécessaires au fonctionnement des mitochondries, même si la majorité des protéines nécessaires pour leur fonctionnement sont codées par le génome nucléaire et importées dans les mitochondries. L'ADN mitochondrial code en particulier pour certaines protéines  impliquées dans la chaîne respiratoire (phosphorylation oxydative), qui est cruciale pour la production d'ATP par les mitochondries.  Il code également pour des ARN ribosomaux (ARNr) et des ARN de transfert (ARNt) nécessaires à la synthèse des protéines mitochondriales. 

Contrairement à l'ADN nucléaire qui est hérité à la fois du père et de la mère, dans la plupart des organismes (y compris les humains), l'ADNmt est hérité presque exclusivement de la mère. Lors de la fécondation, seul le noyau du spermatozoïde entre dans l'ovule, tandis que les mitochondries (et donc l'ADNmt) proviennent principalement de l'ovule. C'est pourquoi l'ADNmt est un outil précieux pour étudier les lignées maternelles en génétique des populations et en généalogie. L'ADNmt a un taux de mutation plus élevé que l'ADN nucléaire. Cela est dû en partie à sa proximité avec les radicaux libres produits lors de la respiration cellulaire et à des mécanismes de réparation moins efficaces. En raison de son héritage maternel et de son taux de mutation relativement élevé, l'ADN mitochondrial est un outil précieux pour les études génétiques, l'étude de l'évolution des populations et la recherche sur certaines maladies, notamment les maladies mitochondriales.

L'ADN chloroplastique.
L'ADN chloroplastique, ou ADNcp, est le matériel génétique que l'on trouve dans les chloroplastes. Les chloroplastes sont des organites essentiels au sein des cellules végétales et des algues, car ils sont responsables de la photosynthèse. L'ADN chloroplastique est une petite molécule d'ADN circulaire et double brin, qui elle aussi ressemble beaucoup à l'ADN bactérien (la théorie endosymbiotique ici suggère que les chloroplastes descendent d'anciennes cyanobactéries photosynthétiques qui ont été englouties par une cellule eucaryote primitive; ces cyanobactéries sont devenues des chloroplastes, conservant leur propre ADN. Il est plus grand que l'ADNmt, mais plus petit que l'ADN nucléaire : la taille de l'ADNcp varie entre les espèces, mais il contient environ 100 000 à 200 000 paires de bases. L'ADNcp contient également une forte densité de gènes, mais peut avoir des régions non codantes plus importantes que l'ADNmt.

L'ADN chloroplastique contient des gènes qui codent pour des protéines essentielles à la fonction du chloroplaste, notamment pour la photosynthèse (en particulier les enzymes et les protéines des complexes photosynthétiques), pour des ARN ribosomaux (ARNr) et des ARN de transfert (ARNt) nécessaires à la synthèse des protéines chloroplastiques, mais aussi pour la réplication et la transcription de son propre ADN, et pour d'autres protéines impliquées dans le métabolisme chloroplastique, comme la synthèse des pigments chlorophylliens, etc.

L'héritage de l'ADNcp est plus variable que celui de l'ADNmt et dépend de l'espèce végétale. Chez de nombreuses espèces, l'ADNcp est principalement hérité de la plante mère (via l'ovule). Chez certaines espèces, il peut être hérité du père (via le pollen). Dans d'autres cas, l'ADNcp peut être hérité des deux parents. L'ADNcp a généralement un taux de mutation plus faible que l'ADNmt.

ADN recombinant.
L'ADN recombinant est une molécule d'ADN qui a été créée artificiellement en combinant des fragments d'ADN provenant de sources différentes. Cette technologie permet de créer des séquences d'ADN qui ne se trouvent pas naturellement ensemble, en fusionnant des gènes ou des parties de gènes de différentes origines.

Les gènes spécifiques que l'on souhaite introduire dans l'ADN recombinant sont isolés à partir de l'ADN d'un organisme source. Cela peut être effectué en utilisant des enzymes de restriction, qui coupent l'ADN à des sites spécifiques. Les gènes isolés sont insérés dans des vecteurs de clonage, tels que des plasmides ou des virus, qui servent de véhicules pour transporter les nouveaux gènes dans des cellules hôtes. Ces cellules hôtes peuvent être des bactéries, des levures, ou d'autres types de cellules. Les vecteurs contenant les gènes d'intérêt sont introduits dans des cellules hôtes par un processus appelé transformation. Les cellules hôtes peuvent alors répliquer le vecteur et exprimer les gènes recombinants. 

Des méthodes de sélection, telles que l'utilisation d'antibiotiques ou de marqueurs génétiques, sont utilisées pour identifier et isoler les cellules qui ont intégré avec succès les gènes recombinants. Les cellules hôtes qui ont intégré les gènes recombinants peuvent être cultivées en grande quantité pour produire de l'ADN recombinant. Cela peut être utile pour produire des protéines spécifiques codées par les gènes recombinants. 

L'ADN recombinant a des applications variées, notamment dans la production de médicaments (par exemple, l'insuline humaine produite par des bactéries génétiquement modifiées), la modification génétique des plantes, la recherche biomédicale, et la création de modèles animaux pour l'étude des maladies génétiques. Cette technologie a ouvert de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines de la biologie et de la médecine.