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Les
acides nucléiques
ADN et ARN |
Les
acides
nucléiques (ADN et ARN) sont des macromolécules biologiques formées
de phosphore (P), de carbone, d'hydrogène,
d'oxygène et d'azote. Ces atomes sont réuunis au sein des acides nucléiques
dans des structures appelées nucléotides; chaque nucléotide se
compose d'un sucre pentose (désoxyribose pour
l'ADN et ribose pour l'ARN), d'une base azotée (adénine, cytosine, guanine
et thymine ou uracile) et d'un groupe phosphate.
Conservés au fil de l'évolution de tous les organismes vivants, les acides nucléiques stockent et transmettent des informations héréditaires. Ils portent le schéma génétique d'une cellule et contiennent des instructions pour le fonctionnement de la cellule. Les deux principaux types d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Le flux d'informations
génétiques est généralement : ADN ARN protéine.
L'ADN dicte la structure de l'ARNm dans un processus connu sous le nom
de transcription, puis l'ARN dicte la structure de la protéine
dans un processus connu sous le nom de traduction. Ceci s'applique
à tous les organismes; cependant, des exceptions à la règle se produisent
avec les virus, dont certains, dépourvus d'ADN,
ont leur génome porté par leur ARN.
ADN et ARNL'ADN et l'ARN sont les macromolécules les plus importantes pour assurer la continuité du vivant.L'ADN.
L'ADN est le matériel génétique présent dans tous les organismes vivants, allant des bactéries unicellulaires aux mammifères multicellulaires. On le trouve dans le noyau des eucaryotes et dans les organites, les chloroplastes et les mitochondries. Chez les procaryotes (archées, bactéries), l'ADN n'est pas enfermé dans une enveloppe membraneuse. L'ADN a une structure double hélicoïdale avec les deux brins s'étendant dans des directions opposées (antiparallèles), reliés par des liaisons hydrogène et complémentaires l'un de l'autre. Dans l'ADN, les purines (adénine et guanine) s'associent aux pyrimidines (cytosine et thymine) : les paires d'adénine avec la thymine (A-T) et les paires de cytosine avec la guanine (C-G). On donne le nom de génome à l'ensemble du contenu génétique d'une cellule, et l'étude des génomes s'appelle la génomique. Dans les cellules eucaryotes (contrairement à ce que l'on observe chez les procaryotes), l'ADN forme un complexe avec des protéines (les histones), pour former la chromatine, qui est la substance des chromosomes eucaryotes. Un chromosome peut
contenir des dizaines de milliers de gènes. De nombreux gènes contiennent
les informations nécessaires à la fabrication de produits protéiques;
d'autres gènes codent les produits de l'ARN. L'ADN contrôle toutes les
activités cellulaires en activant ou désactivant les gènes.
Compactage d'un chromosome eucaryote. - Chaque chromosome renferme une longue molécule d'ADN, enroulée à des histones. Les nucléosomes contiennent environ 200 paires de nucléotides. L'ARN.
Les molécules d'ADN
ne quittent jamais le noyau mais utilisent plutôt un intermédiaire pour
communiquer avec le reste de la cellule. Cet intermédiaire est l'autre
type d'acide nucléique, l'ARN, en l'occurence l'ARN messager (ARNm), qui
est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. D'autres
variétés d'ARN : l'ARNt et le microARN, similaires à l'ARN, sont
impliqués eux aussi dans la synthèse des protéines et la régulation
de celles-ci.
Les nucléotides.
Les
bases azotées.
Chaque nucléotide de l'ADN contient, on l'a dit, l'une des quatre bases azotées possibles : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T). • L'adénine et la guanine sont rangées parmi les purines. La structure primaire d'une purine est constituée de deux cycles carbone-azote.Chacun de ces cycles basiques carbone-azote a différents groupes fonctionnels qui lui sont attachés. Les
sucres et la liaison phosphodiester.
Les atomes de carbone de la molécule de sucre sont numérotés comme 1' (lire "un prime"), 2', 3 ', 4' et 5 '. Le résidu phosphate est attaché au groupe hydroxyle de l'atome de carbone 5' d'un sucre et au groupe hydroxyle de l'atome de carbone 3' du sucre du nucléotide suivant, qui forme une liaison phosphodiester 5'-3 '. La liaison phosphodiester n'est pas formée par une simple réaction de déshydratation comme les autres liaisons reliant les monomères dans les macromolécules : sa formation implique l'élimination de deux groupes phosphate. Un polynucléotide peut avoir des milliers de telles liaisons phosphodiester. Structure et fonction de l'ADNBase 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 Francis Crick et James Watson, sur la base des travaux de
Maurice Wilkins et Rosalind Franklin.
Structure en double
hélice de l'ADN.
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.
La réplication
de l'ADN
RĂ©plication
de l'ADN chez les procaryotes.
RĂ©plication
de l'ADN chez les eucaryotes.
La
réparation de l'ADN.
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. Les multiples visages de l'ARNL'acide ribonucléique, ou ARN, est principalement impliqué dans le processus de synthèse des protéines sous la direction de l'ADN. L'ARN est généralement un simple brin et est composé de ribonucléotides qui sont liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide dans la chaîne d'ARN contient du ribose (sucre pentose), l'une des quatre bases azotées (A, U, G et C) et le groupe phosphate.Il existe quatre principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomal (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN). L'ARN
messager.
La séquence de base de l'ARN est complémentaire de la séquence codante de l'ADN à partir de laquelle elle a été copiée. Cependant, dans l'ARN, la base T est absente et U est présente à la place. Si le brin d'ADN a une séquence AATTGCGC, la séquence complémentaire de l'ARN est UUAACGCG. Dans le cytoplasme, l'ARNm interagit avec les ribosomes (structures à fonction catalytique, composées d'ARN et de protéines) et d'autres machines cellulaires. L'ARNm est lu selon des séquences de trois bases appelées codons. Chaque codon code un seul acide aminé. De cette façon, l'ARNm est lu et le produit protéique est fabriqué. L'ARN
ribosomal.
L'ARN
de transfert.
Les
microARN.
Gènes et synthèse des protéinesSelon l'hypothèse proposée par Crick dès 1958, il existe une relation entre l'ordre linéaire des nucléotides dans l'ADN et l'ordre linéaire des acides aminés dans les polypeptides (protéines) à la synthèse desquelles il commande via l'ARN messager.On donne le nom de code génétique à l'ensemble des règles qui définissent la manière dont l'information nécessaire à la synthèse des protéines est transmise par l'ADN, et partant aux règles qui définissent la traduction des séquences nucléotidiques en séquences d'acides aminés dans une protéine. Ce code est un "langage" qui repose sur plusieurs "alphabets" : l'alphabet ADN (A, T, C, G), l'alphabet ARN (A, U, C, G), et l'alphabet polypeptidique (20 acides aminés). Les "mots" sont composés de trois nucléotides. Les triplets de l'ARNm sont appelés codons et ceux de l'ARNt sont appelés anticodons. Chaque codon détermine la nature de l'acide aminé qui sera synthétisé. Le code génétique est dit redondant ou dégénéré, car les 4³ = 64 codons possibles dans l'ARNm ne spécifient que 20 acides aminés, un acide aminé donné peut être codé par plus d'un triplet, et il y a en outre trois codons dits codons non-sens ou codons-stop, qui servent seulement à signaler la fin d'une chaîne polypeptidique. Presque toutes les
espèces vivantes de la planète utilisent le même code génétique.
Si l'on poursuit la métaphore grammaticale, on dira que le code génétique mène à la construction de "phrases" : ce sont les gènes. Les gènes sont de petits segments d'ADN qui contiennent une séquence définie de nucléotides contenant toute l'information nécessaire pour fabriquer l'ARNm par un processus nommé transcription. L'ARNm est ensuite utilisé pour synthétiser les protéines par le processus de traduction. La transcription.
Transcription
eucaryote.
Traitement
de l'ARN chez les eucaryotes.
Seuls les ARNm finis qui ont subi un coiffage 5', une polyadénylation 3' et un épissage intron sont exportés du noyau vers le cytoplasme. Les pré-ARNr et les pré-ARN peuvent être traités par clivage intramoléculaire, épissage, méthylation et conversion chimique des nucléotides. L'édition d'ARN est également effectuée, mais rarement, pour insérer des bases manquantes après la synthèse d'un ARNm. La traduction
Chaque triplet de nucléotides de l'ARN messager indique l'acide aminé à incorporer dans la chaîne polypeptidique qui se forme. La longueur de la protéine synthétisée sera donc proportionnelle à la longueur de l'ARNm mature. L'ARNm entier est traduit par étapes, codon après codon. Lorsqu'un codon non-sens est rencontré, un facteur de libération se lie et dissocie les composants et libère la nouvelle protéine. Le pliage de la protéine se produit pendant et après la traduction. Les trois étapes principales de la traduction sont : l'initiation, l'élongation et la terminaison. L'initiation
ou démarrage.
Une fois attachée à l'ARNm, cette sous-unité se déplace vers l'extrémité 3' du messager jusqu'à trouver le codon d'initiation. Un ARNt arrive avec l'anticodon UAC (Met), puis la sous-unité ribosomique principale arrive et, à partir de ce moment, la formation de liaisons peptidiques pourra se produite entre des acides aminés séquentiels spécifiés par la matrice d'ARNm selon le code génétique. Les ARNt chargés pénètrent dans le site ribosomal A (Aminoacyl) et leurs acides aminés se lient avec l'acide aminé au site P (Peptidyl). L'élongation.
Ă€ chaque Ă©tape,
le même scénario se reproduit : le ribosome lit un nouveau codon de l'ARNm
exposé sur le site libre A. Un ARNt, disposant à une extrémité de l'anticodon
complémentaire vient s'apparier au codon. L'acide aminé que cet ARNt
porte à son autre extrémité se lie à l'acide aminé apporté par l'ARNt
précédent et qui est lui-même attaché à l'acide aminé ou aux acides
aminés déjà liés entre eux lors des cycles précédents. Cette jonction
(une liaison peptidique) s'effectue grâce à une enzyme présente sur
la grande sous-unité du ribosome. L'ARNt peut maintenant se détacher
pour laisser libre le site et permettre la lecture du codon suivant et
son appariement avec l'anticodon apportée par un autre ARNt, etc. Ainsi,
de proche en proche, la sĂ©quence d'acides aminĂ©s grandit-elle jusqu'Ă
l'apparition d'un signal d'arrĂŞt.
La
terminaison.
Les protéines primaires se replient pour atteindre des structures secondaires, tertiaires ou quaternaires et acquièrent une fonctionnalité biologique. L'expression des
gènes.
Alors que chaque cellule partage le mĂŞme gĂ©nome et la mĂŞme sĂ©quence d'ADN, chaque cellule n'exprime pas le mĂŞme ensemble de gènes. Chaque type de cellule a besoin d'un ensemble diffĂ©rent de protĂ©ines pour remplir sa fonction. Donc, seul un petit sous-ensemble de protĂ©ines est exprimĂ© dans une cellule. Pour que les protĂ©ines s'expriment, l'ADN doit ĂŞtre transcrit en ARN et l'ARN doit ĂŞtre traduit en protĂ©ine. Dans un type de cellule donnĂ©, tous les gènes codĂ©s dans l'ADN ne sont pas transcrits en ARN ou traduits en protĂ©ines car des cellules spĂ©cifiques de notre corps ont des fonctions spĂ©cifiques. Les protĂ©ines spĂ©cialisĂ©es qui composent l'oeil (iris, cristallin et cornĂ©e) ne sont exprimĂ©es que dans l'śil, tandis que les protĂ©ines spĂ©cialisĂ©es du coeur (cellules du stimulateur cardiaque, muscle cardiaque et valves) ne sont exprimĂ©es que dans le coeur. Ă€ un moment donnĂ©, seul un sous-ensemble de tous les gènes codĂ©s par notre ADN sont exprimĂ©s et traduits en protĂ©ines. L'expression de gènes spĂ©cifiques est un processus hautement rĂ©gulĂ© avec de nombreux niveaux et Ă©tapes de contrĂ´le. Cette complexitĂ© garantit une bonne expression du gène dans la cellule appropriĂ©e au bon moment. Pour qu'une cellule fonctionne correctement, les protĂ©ines nĂ©cessaires doivent ĂŞtre synthĂ©tisĂ©es au bon moment et au bon endroit. Toutes les cellules contrĂ´lent ou rĂ©gulent la synthèse des protĂ©ines Ă partir des informations codĂ©es dans leur ADN. Le processus d'activation d'un gène pour produire de l'ARN et des protĂ©ines est appelĂ© expression gĂ©nique. Que ce soit dans un organisme unicellulaire simple ou dans un organisme multicellulaire complexe, chaque cellule contrĂ´le quand et comment ses gènes sont exprimĂ©s. Pour que cela se produise, il doit y avoir des mĂ©canismes chimiques internes qui contrĂ´lent quand un gène est exprimĂ© pour produire de l'ARN et des protĂ©ines, quelle quantitĂ© de protĂ©ines est produite et quand il est temps d'arrĂŞter de produire cette protĂ©ine parce qu'elle n'est plus nĂ©cessaire. La rĂ©gulation de l'expression des gènes demanderait une quantitĂ© importante d'Ă©nergie si un un organisme devait exprimer chaque gène Ă tout moment. Il est donc plus Ă©conome en Ă©nergie de n'activer les gènes que lorsqu'ils sont nĂ©cessaires. De plus, l'expression d'un sous-ensemble de gènes dans chaque cellule permet d'Ă©conomiser de l'espace car l'ADN doit ĂŞtre dĂ©roulĂ© de sa structure Ă©troitement enroulĂ©e pour transcrire et traduire l'ADN. Les cellules devraient ĂŞtre Ă©normes si chaque protĂ©ine Ă©tait constamment exprimĂ©e dans chaque cellule. Le contrĂ´le de l'expression des gènes est extrĂŞmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus sont prĂ©judiciables Ă la cellule et peuvent conduire au dĂ©veloppement de nombreuses maladies, y compris Ă celui du cancer. |
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