Histoire de l'ADN, fonctions, structure, composants

Le De l'ADN (acide désoxyribonucléique) est la biomolécule qui contient toutes les informations nécessaires pour générer un organisme et maintenir son fonctionnement. Il est composé d'unités appelées nucléotides, formées à leur tour d'un groupe phosphate, d'une molécule de sucre de cinq atomes de carbone et d'une base azotée.

Il existe quatre bases azotées: l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T). L'adénine est toujours associée à la thymine et à la guanine avec la cytosine. Le message contenu dans le brin d'ADN est transformé en un ARN messager et participe à la synthèse des protéines.

L'ADN est une molécule extrêmement stable, chargée négativement au pH physiologique, qui est associée à des protéines positives (histones) pour se compacter efficacement dans le noyau des cellules eucaryotes. Une longue chaîne d'ADN, associée à diverses protéines associées, forme un chromosome.

Index

• 1 histoire
• 2 composants
• 3 Structure
  • 3.1 Loi de Chargaff
  • 3.2 Modèle à double hélice
• 4 Organisation
  • 4.1 Histones
  • 4.2 Nucleosomes et fibre à 30 nm
  • 4.3 Chromosomes
  • 4.4 Organisation en procaryotes
  • 4.5 Quantité d'ADN
• 5 formes structurelles de l'ADN
  • 5.1 DNA-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 fonctions
  • 6.1 Réplication, transcription et traduction
  • 6.2 Le code génétique
• 7 Propriétés chimiques et physiques
• 8 évolution
• 9 séquençage de l'ADN
  • 9.1 Méthode Sanger
• 10 séquençage de nouvelle génération
• 11 références

Histoire

En 1953, l’Américain James Watson et l’Anglais Francis Crick parviennent à élucider la structure tridimensionnelle de l’ADN grâce aux travaux de cristallographie réalisés par Rosalind Franklin et Maurice Wilkins. Ils ont également basé leurs conclusions sur les travaux d'autres auteurs.

En exposant l’ADN aux rayons X, il se forme un diagramme de diffraction permettant de déduire la structure de la molécule: une hélice de deux chaînes antiparallèles qui tournent vers la droite, les deux chaînes étant liées par des liaisons hydrogènes entre les bases. . Le modèle obtenu était le suivant:

On peut supposer que la structure suit les lois de la diffraction de Bragg: lorsqu'un objet est interposé au milieu d'un faisceau de rayons X, il est réfléchi, puisque les électrons de l'objet interagissent avec le rayon.

Le 25 avril 1953, les résultats de Watson et Crick ont ​​été publiés dans la prestigieuse revue La nature, dans un article de deux pages intitulé "Structure moléculaire des acides nucléiques", Cela révolutionnerait complètement le domaine de la biologie.

Grâce à cette découverte, les chercheurs ont reçu le prix Nobel de médecine en 1962, à l'exception de Franklin, décédé avant l'accouchement. Actuellement, cette découverte est l'un des grands représentants du succès de la méthode scientifique pour acquérir de nouvelles connaissances.

Composants

La molécule d'ADN est composée de nucléotides, unités formées par un sucre de cinq atomes de carbone attaché à un groupe phosphate et à une base azotée. Le type de sucre présent dans l’ADN est du type désoxyribose, d’où son nom, acide désoxyribonucléique.

Pour former la chaîne, les nucléotides sont liés de manière covalente par une liaison phosphodiester au moyen d'un groupe 3'-hydroxyle (-OH) provenant d'un sucre et du 5'-phosphafo du nucléotide suivant.

Ne confondez pas les nucléotides avec les nucléosides. Ce dernier désigne la partie du nucléotide formée uniquement par le pentose (sucre) et la base azotée.

L'ADN est constitué de quatre types de bases azotées: l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et la thymine (T).

Les bases azotées sont classées en deux catégories: les purines et les pyrimidines. Le premier groupe consiste en un cycle de cinq atomes liés à un autre cycle de six, tandis que les pyrimidines sont composées d’un seul cycle.

Parmi les bases mentionnées, l'adénine et la guanine proviennent de purines. En revanche, le groupe des pyrimidines appartient à la thymine, à la cytosine et à l’uracile (présents dans la molécule d’ARN).

Structure

Une molécule d'ADN est constituée de deux chaînes nucléotidiques. Cette "chaîne" est connue sous le nom de brin d'ADN.

Les deux brins sont reliés par des ponts d'hydrogène entre les bases complémentaires. Les bases azotées sont liées de manière covalente à un squelette de sucres et de phosphates.

Chaque nucléotide situé dans un brin peut être couplé à un autre nucléotide spécifique de l'autre brin pour former la double hélice connue. Pour former une structure efficace, A couple toujours avec T au moyen de deux liaisons hydrogène et G avec C par trois ponts.

Loi de Chargaff

Si nous étudions les proportions de bases azotées dans l'ADN, nous constaterons que la quantité de A est identique à la quantité de T et la même chose avec G et C. Ce modèle est connu sous le nom de loi de Chargaff.

Cet appariement est énergétiquement favorable, car il permet de conserver une largeur similaire le long de la structure tout en maintenant une distance similaire le long de la molécule du squelette sucre-phosphate. Notez qu'une base d'un anneau est couplée à celle d'un anneau.

Modèle de la double hélice

Il est proposé que la double hélice soit composée de 10,4 nucléotides par tour, séparés par une distance centre à centre de 3,4 nanomètres. Le processus d'enroulement entraîne la formation de rainures dans la structure, pouvant observer un sillon majeur et un sillon mineur.

Les rainures se produisent parce que les liaisons glycosidiques dans les paires de bases ne sont pas opposées, par rapport à leur diamètre. Dans la rainure mineure, on trouve la pyrimidine O-2 et la purine N-3, tandis que la rainure principale est située dans la région opposée.

Si l'on utilise l'analogie d'une échelle, les barreaux sont constitués des paires de bases complémentaires, tandis que le squelette correspond aux deux glissières.

Les extrémités de la molécule d'ADN ne sont pas les mêmes, nous parlons donc d'une "polarité". L'une de ses extrémités, 3 ', porte un groupe -OH, tandis que l'extrémité 5' comporte le groupe phosphate libre.

Les deux brins sont situés de manière antiparallèle, ce qui signifie qu'ils sont opposés à leurs polarités, comme suit:

De plus, la séquence de l'un des brins doit être complémentaire de son partenaire, s'il s'agit d'une position A, dans le fil antiparallèle il doit y avoir un T.

Organisation

Dans chaque cellule humaine, il y a environ deux mètres d'ADN qui doivent être emballés efficacement.

Le brin doit être compacté pour pouvoir être contenu dans un noyau microscopique de 6 µm de diamètre qui n'occupe que 10% du volume cellulaire. Ceci est possible grâce aux niveaux de compactage suivants:

Histones

Chez les eucaryotes, il existe des protéines appelées histones, qui ont la capacité de se lier à la molécule d'ADN, étant le premier niveau de compactage du brin. Les histones ont des charges positives pour pouvoir interagir avec les charges négatives de l'ADN, apportées par les phosphates.

Les histones sont des protéines si importantes pour les organismes eucaryotes qu'elles ont été pratiquement invariables au cours de l'évolution - rappelant qu'un faible indice de mutation indique que les pressions sélectives exercées sur ladite molécule sont fortes. Un défaut dans les histones pourrait entraîner une compaction défectueuse dans l'ADN.

Les histones peuvent être modifiées biochimiquement et ce processus modifie le niveau de compactage du matériel génétique.

Lorsque les histones sont "hypoacétylées", la chromatine est plus condensée, car les formes acétylées neutralisent les charges positives des lysines (acides aminés chargés positivement) dans la protéine.

Nucléosomes et fibre à 30 nm

Le brin d'ADN entoure les histones et forme des structures qui ressemblent aux perles d'une chaîne de perles, appelées nucléosomes. Au cœur de cette structure se trouvent deux copies de chaque type d’histone: H2A, H2B, H3 et H4. L'union des différentes histones est appelée "histone octamer".

L'octamer est entouré de 146 paires de bases, donnant moins de deux tours. Une cellule diploïde humaine contient environ 6,4 x 10⁹ les nucléotides organisés dans 30 millions de nucléosomes.

L'organisation en nucléosomes permet de compacter l'ADN dans plus d'un tiers de sa longueur d'origine.

Dans un processus d'extraction du matériel génétique dans des conditions physiologiques, on observe que les nucléosomes sont disposés dans une fibre de 30 nanomètres.

Chromosomes

Les chromosomes sont l'unité fonctionnelle de l'hérédité, dont la fonction est de porter les gènes d'un individu. Un gène est un segment d'ADN qui contient l'information pour synthétiser une protéine (ou une série de protéines). Cependant, il existe également des gènes qui codent pour des éléments régulateurs, tels que l'ARN.

Toutes les cellules humaines (à l'exception des gamètes et des érythrocytes sanguins) ont deux copies de chaque chromosome, l'une héritée du père et l'autre de la mère.

Les chromosomes sont des structures composées d'une longue portion linéaire d'ADN associée aux complexes protéiques mentionnés ci-dessus. Normalement, chez les eucaryotes, tout le matériel génétique inclus dans le noyau est divisé en une série de chromosomes.

Organisation en procaryotes

Les procaryotes sont des organismes dépourvus de noyau. Chez ces espèces, le matériel génétique est fortement enroulé avec des protéines alcalines de faible poids moléculaire. De cette façon, l’ADN est compacté et situé dans une région centrale de la bactérie.

Certains auteurs appellent généralement cette structure "chromosome bactérien", bien qu'elle ne présente pas les mêmes caractéristiques qu'un chromosome eucaryote.

Quantité d'ADN

Toutes les espèces d'organismes ne contiennent pas la même quantité d'ADN. En fait, cette valeur est très variable d'une espèce à l'autre et il n'y a pas de relation entre la quantité d'ADN et la complexité de l'organisme. Cette contradiction est connue sous le nom de "paradoxe de la valeur C".

Le raisonnement logique serait de penser que plus l'organisme est complexe, plus il possède d'ADN. Cependant, ce n'est pas vrai dans la nature.

Par exemple, le génome du poumon Protopterus aethiopicus il a une taille de 132 pg (l'ADN peut être quantifié en picogrammes = pg) alors que le génome humain ne pèse que 3,5 pg.

Rappelons que tous l'ADN d'un organisme codant pour des protéines, de nombreux associés à ces éléments régulateurs et divers types d'ARN.

Formes structurelles de l'ADN

Le modèle Watson-Crick, déduit des motifs de diffraction des rayons X est connu comme l'hélice B-ADN et est le « traditionnel » et le modèle le plus connu. Cependant, il existe deux autres formes différentes, appelées DNA-A et DNA-Z.

DNA-A

La variante "A" tourne à droite, tout comme DNA-B, mais est plus courte et plus large. Cette forme apparaît lorsque l'humidité relative diminue.

L'ADN-A tourne toutes les 11 paires de bases, le sillon majeur est plus étroit et plus profond que l'ADN-B. En ce qui concerne le groove mineur, c'est plus superficiel et large.

ADN-Z

La troisième variante est l'ADN-Z. C'est la forme la plus étroite, formée par un groupe d'hexanucléotides organisés en duplex de chaînes antiparallèles. L'une des caractéristiques les plus frappantes de cette forme est qu'elle tourne à gauche, tandis que les deux autres formes le font à droite.

L'ADN-Z apparaît lorsqu'il y a de courtes séquences de pyrimidines et de purines alternant entre elles. La rainure principale est plate et la rainure mineure est étroite et plus profonde, comparée à l'ADN-B.

Bien que dans des conditions physiologiques de la molécule d'ADN est la plupart du temps sous forme B, l'existence des deux variantes décrites présente la flexibilité et la dynamique du matériel génétique.

Fonctions

La molécule d'ADN contient toutes les informations et instructions nécessaires à la construction d'un organisme. L'ensemble complet d'informations génétiques dans les organismes s'appelle génome.

Le message est codé par "l'alphabet biologique": les quatre bases mentionnées précédemment, A, T, G et C.

Le message peut conduire à la formation de divers types de protéines ou à un code pour un élément régulateur. Le processus par lequel ces bases peuvent délivrer un message est expliqué ci-dessous:

Réplication, transcription et traduction

Le message chiffré dans les quatre lettres A, T, G et C en tant que résultat donne un phénotype (pas toutes les séquences d'ADN codant pour les protéines). Pour y parvenir, l'ADN doit se répliquer dans chaque processus de division cellulaire.

La réplication de l'ADN est semi-conservatrice: un brin sert de modèle pour la formation de la nouvelle molécule fille. Différentes enzymes catalysent la réplication, notamment l'ADN primase, l'ADN hélicase, l'ADN ligase et la topoisomérase.

Par la suite, le message - écrit dans un langage de séquence de base - doit être transmise à une molécule intermédiaire: RNA (acide ribonucléique). Ce processus s'appelle la transcription.

Pour que la transcription se produise, différentes enzymes doivent participer, y compris l'ARN polymérase.

Cette enzyme est responsable de la copie du message ADN et de sa conversion en une molécule d'ARN messager. En d'autres termes, le but de la transcription est d'obtenir le messager.

Enfin, le message est traduit en molécules d’ARN messager, grâce aux ribosomes.

Ces structures prennent l'ARN messager et forment avec la machinerie de traduction la protéine spécifiée.

Le code génétique

Le message est lu dans des "triplets" ou des groupes de trois lettres qui spécifient un acide aminé - les blocs structurels des protéines. Il est possible de déchiffrer le message des triplets puisque le code génétique a déjà été complètement dévoilé.

La traduction commence toujours par l'acide aminé méthionine, qui est codé par le triplet de départ: AUG. Le "U" représente la base de l'uracile et est caractéristique de l'ARN et supplante la thymine.

Par exemple, si l'ARNm a la séquence suivante: août UUU UUA CCU CUU, se traduit par les acides aminés suivants: la méthionine, la proline, la leucine, la phénylalanine et la phénylalanine. Notez qu'il est possible que deux triplets - dans ce cas UUU et UUA - codent pour le même acide aminé: la phénylalanine.

Pour cette propriété, il est dit que le code génétique est dégénéré, comme un acide aminé est codé par plus d'une séquence de triplet, à l'exception de l'acide aminé methionine qui dicte l'initiation de la traduction.

Le processus est arrêté avec une terminaison spécifique ou des triplets d'arrêt: UAA, UAG et UGA. Ils sont connus sous les noms d'ocre, d'ambre et d'opale, respectivement. Lorsque le ribosome les détecte, ils ne peuvent plus ajouter d’acides aminés à la chaîne.

Propriétés chimiques et physiques

Les acides nucléiques sont de nature acide et solubles dans l'eau (hydrophile). La formation de liaisons hydrogène entre les groupes phosphate et les groupes hydroxyles des pentoses avec l'eau peut se produire. Il est chargé négativement au pH physiologique.

Les solutions d'ADN sont très visqueuses, en raison de la capacité de résistance à la déformation de la double hélice, qui est très rigide. La viscosité diminue si l'acide nucléique est monocaténaire.

Ce sont des molécules très stables. Logiquement, cette fonctionnalité doit être indispensable dans les structures qui portent l'information génétique. Par rapport à l'ARN, l'ADN est beaucoup plus stable car il ne contient pas de groupe hydroxyle.

L'ADN peut être dénaturé par la chaleur, c'est-à-dire que les brins se séparent lorsque la molécule est exposée à des températures élevées.

La quantité de chaleur à appliquer dépend du pourcentage de G-C de la molécule, car ces bases sont reliées par trois liaisons hydrogène, ce qui augmente la résistance à la séparation.

Quant à l'absorption de la lumière, ils ont un pic à 260 nanomètres, ce qui augmente si l'acide nucléique est un simple brin, car ils exposent les cycles des nucléotides et ceux-ci sont responsables de l'absorption.

Évolution

Selon Lazcano et al. 1988 L'ADN survient aux stades de transition de l'ARN, l'un des événements les plus importants de l'histoire de la vie.

Les auteurs proposent trois étapes: une première période où il y avait des molécules similaires aux acides nucléiques, plus tard les génomes ont été formés d'ARN et au dernier stade, les génomes de la double bande d'ADN sont apparus.

Certaines preuves soutiennent la théorie d'un monde primaire basé sur l'ARN. Tout d'abord, la synthèse des protéines peut se produire en l'absence d'ADN, mais pas lorsque l'ARN est absent. De plus, des molécules d'ARN ayant des propriétés catalytiques ont été découvertes.

Quant à la synthèse du désoxyribonucléotide (présent dans l'ADN), il provient toujours de la réduction des ribonucléotides (présents dans l'ARN).

L'innovation évolutive d'une molécule d'ADN doit avoir nécessité la présence d'enzymes qui synthétisent les précurseurs d'ADN et qui participent à la rétrotranscription de l'ARN.

En étudiant les enzymes actuelles, on peut conclure que ces protéines ont évolué plusieurs fois et que la transition de l'ARN à l'ADN est plus complexe qu'on ne le croyait auparavant, notamment les processus de transfert et de perte de gènes et les remplacements non orthologues.

Séquençage de l'ADN

Le séquençage de l'ADN consiste à élucider la séquence du brin d'ADN en fonction des quatre bases qui le composent.

La connaissance de cette séquence est d'une grande importance dans les sciences biologiques. Il peut être utilisé pour distinguer deux espèces très similaires morphologiquement, détecter des maladies, des pathologies ou des parasites et même posséder une applicabilité légale.

Le séquençage de Sanger a été développé dans les années 1900 et est la technique traditionnelle pour clarifier une séquence. Malgré son âge, cette méthode est largement utilisée par les chercheurs.

La méthode de Sanger

La méthode utilise l'ADN polymérase, une enzyme hautement fiable qui réplique l'ADN dans les cellules, en synthétisant une nouvelle chaîne d'ADN en utilisant une autre directive préexistante. L'enzyme nécessite un d'abord ou amorce pour démarrer la synthèse. L'amorce est une petite molécule d'ADN complémentaire à la molécule que vous souhaitez séquencer.

Dans la réaction, des nucléotides sont ajoutés qui doivent être incorporés dans le nouveau brin d'ADN par l'enzyme.

En plus des nucléotides "traditionnels", le procédé comprend une série de didésoxynucléotides pour chacune des bases. Ils se distinguent des nucléotides standards par deux caractéristiques: ils ne permettent pas structurellement à l'ADN polymérase d'ajouter plus de nucléotides à la chaîne fille et ont un marqueur fluorescent différent pour chaque base.

Le résultat est une variété de molécules d'ADN de longueur différente, puisque les didésoxynucléotides ont été incorporés de manière aléatoire et ont arrêté le processus de réplication à différents stades.

Cette variété de molécules peut être séparée en fonction de leur longueur et l'identité des nucléotides est lue au moyen de l'émission lumineuse du marqueur fluorescent.

Séquençage de nouvelle génération

Les techniques de séquençage mises au point ces dernières années permettent l’analyse massive de millions d’échantillons simultanément.

Parmi les méthodes les plus remarquables figurent le pyroséquençage, le séquençage par synthèse, le séquençage par ligature et le séquençage de nouvelle génération par Ion Torrent.

Références

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