ADN

L’acide désoxyribonucléique, ou ADN, est une macromolécule de plusieurs centimètres de long, présente dans toutes les cellules vivantes et qui renferme l’ensemble des informations nécessaires au développement et au fonctionnement d’un organisme.

C’est aussi le support de l’hérédité, car il est transmis lors de la reproduction, de manière intégrale ou non. Il porte donc l’information génétique et constitue le génome des êtres vivants. L’ADN détermine la synthèse des protéines, par l’intermédiaire de l’ARN. Dans les cellules eucaryotes, l’ADN est contenu dans le noyau et une petite partie dans la matrice des mitochondries ainsi que dans les chloroplastes. Dans les cellules procaryotes, l’ADN est contenu dans le cytoplasme. Certains virus possèdent également de l’ADN dans leur capside.

Un peu d’histoire...

C’est en 1869, que le Suisse Friedrich Miescher isole une substance riche en phosphore dans le noyau des cellules, qu’il nomme nucléine (du latin nucleus, noyau).

En 1889, l’Allemand Richard Altmann sépare à partir de la nucléine, des protéines et une substance acide, l’acide nucléique.

En 1896, l’Allemand Albrecht Kossel découvre dans l’acide nucléique les quatre bases azotées : adénine (A, cf. ATP et ADP), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T).

En 1928, les Américains Levene et Jacobs identifient le désoxyribose et dès 1935 on parle d’acide désoxyribonucléique.

En 1944, l’Américain Oswald Avery découvre que l’ADN est responsable de la transformation génétique des bactéries et que ce serait bien le support de l’hérédité.

C’est au laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge, qu’a été établie en 1952-1953 la structure en double hélice de l’ADN, grâce à la technique de diffraction des rayons X sur des cristaux de l’ADN. Cette découverte par James Watson et Francis Crick, confirmée par Maurice Wilkins, eu le retentissement que l’on peut comprendre, mais tous trois ne reçurent le prix Nobel de physiologie et de médecine qu’en 1962.

Toutefois, cette découverte ne fut rendue possible que par le travail de la cristallographe Rosalind Franklin qui fournira les éléments nécessaires à Watson, Wilkins et Crick pour établir la structure de la double hélice de l’ADN et la distance entre les bases azotées. Elle mourut avant l’attribution du prix Nobel, mais il faut remarquer que dans les premières publications de Watson, Crick et Wilkins, Rosalind Franklin n’est pas citée. Ce n’est qu’après des années qu’elle sera ajoutée à cette découverte sur le modèle moléculaire de l’ADN : l’histoire est un éternel recommencement…

Compostion de l’ADN

Chez les eucaryotes dont nous sommes, l’ADN est présent dans le noyau sous forme linéaire et scindé en plusieurs unités formant les chromosomes : il est plus ou moins compacté et associé à des protéines comme les histones. Dans les mitochondries et les chloroplastes, l’ADN peut prendre de nombreuses formes différentes, circulaires, linéaires ou encore ramifiés.

L’ADN est composé de séquences de nucléotides, d’où le terme de polynucléotide. Chaque nucléotide est constitué de trois éléments liés entre eux : un groupe phosphate lié à un sucre, le désoxyribose, lui-même lié à une des bases azotées reconnues par Albrecht Kossel : il existe donc quatre nucléotides différents. Dans un « brin » d’ADN, les nucléotides sont reliés entre eux selon une certaine séquence grâce à des liaisons impliquant un groupe phosphate, les liaisons 3’-5’ phosphodiester. Pour fabriquer un brin d’ADN, il suffit donc d’enchaîner des nucléotides en les reliant par ce type de liaisons, appelées liaisons fortes. Ce sont les quatre bases azotées A, C, G, T qui assurent la variabilité de la molécule d’ADN, ainsi que la complémentarité des deux brins. En effet, il n’existe que deux types complémentaires de bases : une pyrimidique (C, T) sera toujours en face d’une purique (A, G).

L’ADN est composé de deux brins se faisant face, et formant une double hélice. Ceci est rendu possible par la complémentarité des nucléotides qui peuvent interagir par des liaisons hydrogènes (cf. Eau). Il y a deux liaisons hydrogènes entre A et T et trois entre C et G, ce qui conduit aux interactions possibles : A-T et T-A, d’une part et G-C et C-G, d’autre part. Les brins d’ADN sont orientés dans le sens 5’ vers 3’ (et ceci en raison de notations liées à la géométrie du désoxyribose). Les deux brins d’une double hélice sont complémentaires et antiparallèles, c’est-à-dire assemblés tête bêche (l’extrémité 5’ de l’un est en contact avec l’extrémité 3’ de l’autre et inversement).

Ce caractère antiparallèle des brins explique l’existence de deux sillons (l’un grand, l’autre petit) autorisant l’accès à la séquence des nucléotides sans avoir à « ouvrir » la macromolécule en séparant les brins entre eux.

La division cellulaire

Avant chaque division cellulaire, la molécule d’ADN double-brin doit être dupliquée en deux molécules d’ADN filles identiques : c’est ce processus qui assure la transmission de l’information génétique lors de la reproduction, d’où la fonction hérédité de l’ADN.

Chacune de ces nouvelles macromolécules hérite d’un brin de la molécule d’ADN « mère » ; l’autre brin est synthétisé à partir de nucléotides libres. Les nouveaux nucléotides se placent par complémentarité A-T et C-G, de manière à reconstituer à l’identique le brin manquant : c’est la réplication semi-conservative.

L’hypothèse d’un tel modèle de réplication fut émis par les découvreurs de la structure de l’ADN dès 1953, hypothèse validée quelques années plus tard. Lors de la réplication, les paires de bases sont tout d’abord désappariées par la rupture des liaisons hydrogène de l’ADN par une enzyme appelée ADN hélicase.

Une fourche de réplication va alors se former donnant deux brins d’ADN simple-brin distincts. Chacun de ces brins va être copié par l’action des ADN polymérases, pour former deux nouvelles molécules d’ADN doubles brins identiques à la molécule initiale.

Ce mécanisme de réplication nécessite donc deux brins aux séquences complémentaires, tous deux reliés par des liaisons hydrogène, faibles par nature, pour que la séparation (dénaturation) et le réassemblage des brins se fassent facilement.

Malgré les liaisons fortes et la complémentarité des bases azotées qui assurent la stabilité de l’information génétique au cours des réplications, la séquence d’un ADN peut se modifier. Si la modification se fait sur un ou quelques nucléotides on parle de mutation. Celles-ci sont spontanées, à la suite d’erreurs d’appariement au cours de la réplication. Les mutations peuvent être aussi favorisées ou induites par certains agents externes tels que radioactivité, ultra-violet ou molécules biologiquement actives. Les modifications peuvent aussi consister en un échange avec un autre ADN de fragments dans la séquence de nucléotides : c’est la recombinaison génétique. Elles peuvent se faire naturellement (transformation génétique des bactéries, reproduction sexuée), mais aussi artificiellement, par les techniques du génie génétique qui débouchent sur les OGM.

Ces processus sont à l’origine des différentes variations des ADN dans le monde vivant, c’est-à-dire la biodiversité.

A côté de sa fonction hérédité, l’ADN détermine aussi le fonctionnement de l’organisme vivant. L’information génétique qui constitue le génotype d’un organisme s’exprime pour donner naissance à un phénotype, c’est-à-dire l’ensemble des caractères de cet organisme. Cette expression du génome se fait en interaction avec divers facteurs externe (nutriments, lumière...) et comprend en plusieurs étapes :

    • la transcription, qui est le transfert de l’information génétique de l’ADN vers une autre molécule, l’ARN,
    • la traduction, qui est un transfert d’information depuis l’ARN vers les protéines.
    • l’activité des protéines qui détermine l’activité des cellules, qui vont ensuite déterminer le fonctionnement des organes et de l’organisme.

Pensée du jour
« ADN : la vie ne tient qu’à deux brins… »

Sources

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