3.5 Acides nucléiques

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :

  • Décrire la structure des acides nucléiques et définir les deux types d’acides nucléiques
  • Expliquer la structure et le rôle de l’ADN
  • Expliquer la structure et le rôle de l’ARN

Les acides nucléiques sont les macromolécules les plus importantes pour la continuité de la vie. Ils portent le plan génétique de la cellule et les instructions nécessaires à son fonctionnement.

ADN et ARN

Les deux principaux types d’acides nucléiques sont l’acide désoxyribonucléique (ADN) et l’acide ribonucléique (ARN). L’ADN est le matériel génétique de tous les organismes vivants, des bactéries unicellulaires aux mammifères multicellulaires. Il se trouve dans le noyau des eucaryotes et dans les organites, les chloroplastes et les mitochondries. Chez les procaryotes, l’ADN n’est pas enfermé dans une enveloppe membraneuse.

L’ensemble du contenu génétique de la cellule est son génome, et l’étude des génomes est la génomique. Dans les cellules eucaryotes, mais pas dans les procaryotes, l’ADN forme un complexe avec des protéines histones pour former la chromatine, 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 pour des produits ARN. L’ADN contrôle toutes les activités cellulaires en activant ou désactivant les gènes.

L’autre type d’acide nucléique, l’ARN, est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. Les molécules d’ADN ne quittent jamais le noyau, mais utilisent un intermédiaire pour communiquer avec le reste de la cellule. Cet intermédiaire est l’ARN messager (ARNm). D’autres types d’ARN, comme l’ARN ribosomique (ARNr), les ARN de transfert (ARNt) et les microARN, sont impliqués dans la synthèse des protéines et sa régulation.

L’ADN et l’ARN sont constitués de monomères que les scientifiques appellent nucléotides. Les nucléotides se combinent entre eux pour former un polynucléotide, l’ADN ou l’ARN. Chaque nucléotide est composé de trois éléments : une base azotée, un sucre pentose (cinq carbones) et un groupe phosphate (Figure 3.31). Chaque base azotée d’un nucléotide est attachée à une molécule de sucre, elle-même attachée à un ou plusieurs groupes phosphates.

 

Figure 3.31 Un nucléotide se compose de trois éléments : une base azotée, un sucre pentose et un ou plusieurs groupements phosphates. Les résidus carbonés du pentose sont numérotés de 1′ à 5′ (le « prime » distingue les carbones du ribose de ceux de la base azotée). La base est attachée à la position 1′ du ribose et le phosphate est attaché à la position 5′. Lorsqu’un polynucléotide se forme, le phosphate 5′ du nucléotide entrant s’attache au groupe hydroxyle 3′ à l’extrémité de la chaîne nucléotidique en croissance. Les nucléotides contiennent deux types de pentoses : le désoxyribose (présent dans l’ADN) et le ribose (présent dans l’ARN). La structure du désoxyribose est similaire à celle du ribose, mais il possède un H au lieu d’un OH en position 2′. Les bases peuvent être divisées en deux catégories : les purines et les pyrimidines. Les purines ont une structure à double anneau, tandis que les pyrimidines ont un anneau simple.

Les bases azotées, composants importants des nucléotides, sont des molécules organiques et sont ainsi nommées parce qu’elles contiennent du carbone et de l’azote. Ce sont des bases parce qu’elles contiennent un groupe amino qui a le potentiel de lier un hydrogène supplémentaire, et donc de diminuer la concentration d’ions hydrogène dans son environnement, ce qui la rend plus basique. Chaque nucléotide de l’ADN contient l’une des quatre bases azotées possibles : adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T).

Les scientifiques classent l’adénine et la guanine parmi les purines. La structure primaire de la purine est constituée de deux anneaux carbone-azote. Les scientifiques classent la cytosine, la thymine et l’uracile dans la catégorie des pyrimidines, dont la structure primaire est constituée d’un seul anneau carbone-azote (Figure 3.31). Chacun de ces anneaux de base carbone-azote est associé à différents groupes fonctionnels. En biologie moléculaire, les bases azotées sont désignées par les symboles A, T, G, C et U. L’ADN contient A, T, G et C, tandis que l’ARN contient A, U, G et C.

Le sucre pentose de l’ADN est le désoxyribose et celui de l’ARN est le ribose (Figure 3.31). La différence entre les sucres est la présence du groupe hydroxyle sur le deuxième carbone du ribose et de l’hydrogène sur le deuxième carbone du désoxyribose. Les atomes de carbone de la molécule de sucre sont numérotés 1′, 2′, 3′, 4′ et 5′ (1′ se lit comme « prime »). Le résidu phosphate s’attache au groupe hydroxyle du carbone 5′ d’un sucre et au groupe hydroxyle du carbone 3′ du sucre du nucléotide suivant, ce qui forme une liaison 5′-3′ phosphodiester. Une simple réaction de déshydratation comme les autres liaisons reliant les monomères dans les macromolécules ne forme pas la liaison phosphodiester. Sa formation implique l’élimination de deux groupes phosphates. Un polynucléotide peut comporter des milliers de liaisons phosphodiester de ce type.

Structure à double hélice de l’ADN

L’ADN a une structure en double hélice (Figure 3.32). Le sucre et le phosphate se trouvent à l’extérieur de l’hélice et forment le squelette de l’ADN. Les bases azotées sont empilées à l’intérieur, comme une paire de marches d’escalier. Les liaisons hydrogène relient les paires entre elles. Chaque paire de base de la double hélice est séparée de la paire de base suivante par 0,34 nm. Les deux brins de l’hélice sont orientés dans des directions opposées, ce qui signifie que l’extrémité en carbone 5′ d’un brin fait face à l’extrémité en carbone 3′ du brin correspondant. (Les scientifiques appellent cela une orientation antiparallèle, qui est importante pour la réplication de l’ADN et dans de nombreuses interactions entre les acides nucléiques).

 

Figure 3.32 L’ADN est une double helix antiparallèle. La squelette phosphate (indiqué par les lignes courbées) est à l’extérieur, et les bases sont à l’intérieur. Chaque base d’un brin interagit par liaison hydrogène avec une base du brin opposé. (crédit : Jerome Walker/Dennis Myts)

Seuls certains types d’appariement de bases sont autorisés. Par exemple, une certaine purine ne peut s’associer qu’à une certaine pyrimidine. Cela signifie que A peut s’apparier avec T et que G peut s’apparier avec C, comme le montre la Figure 3.33. Il s’agit de la règle complémentaire de base. 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 aura la séquence TTAACCGG. Lors de la réplication de l’ADN, chaque brin se copie, ce qui donne une double hélice d’ADN fille contenant un brin d’ADN parental et un brin nouvellement synthétisé.

 

Figure 3.33 Dans une molécule d’ADN double brin, les deux brins sont antiparallèles l’un à l’autre, de sorte qu’un brin va de 5′ à 3′ et l’autre de 3′ à 5′. Le squelette de phosphate est situé à l’extérieur, et les bases sont au milieu. L’adénine forme des liaisons hydrogène (ou paires de bases) avec la thymine, et la guanine forme des paires de bases avec la cytosine.

ARN

L’acide ribonucléique, ou ARN, est principalement impliqué dans le processus de synthèse des protéines sous la direction de l’ADN. L’ARN est généralement monocaténaire et se compose de ribonucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide de la chaîne d’ARN contient du ribose (le sucre pentose), une des quatre bases azotées (A, U, G et C) et le groupe phosphate.

Il existe quatre grands types d’ARN : l’ARN messager (ARNm), l’ARN ribosomal (ARNr), les ARN de transfert (ARNt) et les microARN (miARN). Le premier, l’ARNm, transmet le message de l’ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires. Si une cellule doit synthétiser une certaine protéine, le gène de ce produit s’active et l’ARN messager se synthétise dans le noyau. 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 présent à la place. Si le brin d’ADN a une séquence AATTGCGC, la séquence de l’ARN complémentaire est UUAACGCG. Dans le cytoplasme, l’ARNm interagit avec les ribosomes et d’autres machines cellulaires (Figure 3.34).

 

Figure 3.34 Un ribosome se compose de deux parties : une grande sous-unité et une petite sous-unité. L’ARNm se trouve entre les deux sous-unités. Une molécule d’ARNt reconnaît un codon sur l’ARNm, s’y lie par appariement de bases complémentaires et ajoute l’acide aminé correct à la chaîne peptidique en croissance.

L’ARNm est lu par des ensembles de trois bases appelés codons. Chaque codon code pour un seul acide aminé. De cette manière, l’ARNm est lu et la protéine est fabriquée. L’ARN ribosomal (ARNr) est un constituant majeur des ribosomes sur lesquels l’ARNm se fixe. L’ARNr assure le bon alignement de l’ARNm et des ribosomes. L’ARNr du ribosome a également une activité enzymatique (peptidyl-transférase) et catalyse la formation de liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés. L’ARN de transfert (ARNt) est l’un des plus petits des quatre types d’ARN, d’une longueur de 70 à 90 nucléotides. Il transporte l’acide aminé correct vers le site de synthèse de la protéine. C’est l’appariement des bases entre l’ARNt et l’ARNm qui permet à l’acide aminé correct de s’insérer dans la chaîne polypeptidique. Les microARN sont les plus petites molécules d’ARN et leur rôle consiste à réguler l’expression des gènes en interférant avec l’expression de certains messages d’ARNm. Le Tableau 3.2 résume les caractéristiques de l’ADN et de l’ARN.

 

Tableau 3.2 Caractéristiques de l’ADN et de l’ARN

 

Bien que l’ARN soit un brin unique, la plupart des types d’ARN présentent un important appariement intramoléculaire des bases entre les séquences complémentaires, créant ainsi une structure tridimensionnelle prévisible essentielle à leur fonction.

Comme vous l’avez appris, le flux d’informations dans un organisme va de l’ADN à l’ARN et aux protéines. L’ADN dicte la structure de l’ARNm dans un processus que les scientifiques appellent la transcription, et l’ARN dicte la structure de la protéine dans un processus que les scientifiques appellent la traduction. Il s’agit du dogme central de la vie, qui s’applique à tous les organismes ; toutefois, des exceptions à la règle se produisent dans le cas des infections virales.

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Introduction à la biologie cellulaire et moléculaire Copyright © 2023 by Elaine Beaulieu is licensed under a License Creative Commons Attribution - Pas d’utilisation commerciale - Partage dans les mêmes conditions 4.0 International, except where otherwise noted.

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