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3.5 : Acides nucléiques - Biologie

3.5 : Acides nucléiques - Biologie


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Compétences à développer

  • 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 les rôles de l'ARN

Les acides nucléiques sont les macromolécules les plus importantes pour la continuité de la vie. Ils portent le plan génétique d'une cellule et portent des instructions pour le fonctionnement de la cellule.

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 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, l'ADN n'est pas enfermé dans une enveloppe membraneuse.

L'ensemble du contenu génétique d'une cellule est connu sous le nom de génome, et l'étude des génomes est la génomique. Dans les cellules eucaryotes mais pas chez les procaryotes, l'ADN forme un complexe avec les 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 les produits d'ARN. L'ADN contrôle toutes les activités cellulaires en activant ou en 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 plutôt un intermédiaire pour communiquer avec le reste de la cellule. Cet intermédiaire est l'ARN messager (ARNm). D'autres types d'ARN, comme l'ARNr, l'ARNt et le microARN, sont impliqués dans la synthèse des protéines et leur régulation.

L'ADN et l'ARN sont constitués de monomères appelés nucléotides. Les nucléotides se combinent pour former un polynucléotide, un ADN ou un ARN. Chaque nucléotide est composé de trois composants : une base azotée, un sucre pentose (cinq carbones) et un groupe phosphate (Figure (PageIndex{1})). Chaque base azotée dans un nucléotide est attachée à une molécule de sucre, qui est attachée à un ou plusieurs groupes phosphate.

Les bases azotées, composants importants des nucléotides, sont des molécules organiques et sont ainsi nommées car elles contiennent du carbone et de l'azote. Ce sont des bases car elles contiennent un groupe amino qui a le potentiel de lier un hydrogène supplémentaire, et ainsi, diminue la concentration en ions hydrogène dans son environnement, le rendant plus basique. Chaque nucléotide de l'ADN contient 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 classées comme des purines. La structure principale d'une purine est constituée de deux cycles carbone-azote. La cytosine, la thymine et l'uracile sont classées comme des pyrimidines qui ont un seul cycle carbone-azote comme structure principale (Figure (PageIndex{1})). Chacun de ces noyaux basiques carbone-azote a différents groupes fonctionnels qui lui sont attachés. En abrégé de biologie moléculaire, les bases azotées sont simplement connues par leurs 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 dans l'ADN est le désoxyribose, et dans l'ARN, le sucre est le ribose (Figure (PageIndex{1})). 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 comme 1′, 2′, 3′, 4′ et 5′ (1′ est lu comme « un premier »). Le résidu phosphate est attaché au groupe hydroxyle du carbone 5' d'un sucre et au groupe hydroxyle du carbone 3' du sucre du nucléotide suivant, qui forme une liaison phosphodiester 5'-3'. La liaison phosphodiester n'est pas formée par 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 en double hélice d'ADN

L'ADN a une structure en double hélice (Figure (PageIndex{2})). 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 la paire de bases suivante de 0,34 nm. Les deux brins de l'hélice vont 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 et est important pour la réplication de l'ADN et dans de nombreuses interactions d'acide nucléique.)

Seuls certains types d'appariement de bases sont autorisés. Par exemple, une certaine purine ne peut s'apparier qu'avec une certaine pyrimidine. Cela signifie que A peut s'apparier avec T et G peut s'apparier avec C, comme le montre la figure (PageIndex{3}). C'est ce qu'on appelle 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 aurait la séquence TTAACCGG. Au cours de la réplication de l'ADN, chaque brin est copié, ce qui donne une double hélice d'ADN fille contenant un brin d'ADN parental et un brin nouvellement synthétisé.

Connexion artistique

Une mutation se produit et la cytosine est remplacée par l'adénine. Quel impact pensez-vous que cela aura sur la structure de l'ADN ?

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 simple brin et est constitué de ribonucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide dans la chaîne d'ARN contient du ribose (le 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 ribosomique (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN). Le premier, l'ARNm, porte le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires dans une cellule. Si une cellule nécessite la synthèse d'une certaine protéine, le gène de ce produit est activé et l'ARN messager est synthétisé dans le noyau. La séquence de bases d'ARN est complémentaire de la séquence codante de l'ADN à partir duquel 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 (PageIndex{4})).

L'ARNm est lu dans des ensembles de trois bases appelées codons. Chaque codon code pour un seul acide aminé. De cette manière, l'ARNm est lu et le produit protéique est fabriqué. L'ARN ribosomal (ARNr) est un constituant majeur des ribosomes sur lesquels l'ARNm se lie. L'ARNr assure le bon alignement de l'ARNm et des ribosomes ; l'ARNr du ribosome possède également une activité enzymatique (peptidyl transférase) et catalyse la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés. L'ARN de transfert (ARNt) est l'un des plus petits des quatre types d'ARN, généralement de 70 à 90 nucléotides. Il transporte le bon acide aminé vers le site de synthèse des protéines. C'est l'appariement des bases entre l'ARNt et l'ARNm qui permet d'insérer le bon acide aminé dans la chaîne polypeptidique. Les microARN sont les plus petites molécules d'ARN et leur rôle implique la régulation de l'expression des gènes en interférant avec l'expression de certains messages d'ARNm. Le tableau (PageIndex{1}) ci-dessous résume les caractéristiques de l'ADN et de l'ARN.

Tableau (PageIndex{1}) : Caractéristiques de l'ADN et de l'ARN.

Caractéristiques de l'ADN et de l'ARN
ADNARN
FonctionPorte des informations génétiquesImpliqué dans la synthèse des protéines
EmplacementReste dans le noyauLaisse le noyau
StructureDouble héliceGénéralement monocaténaire
SucreDésoxyriboseRibose
PyrimidinesCytosine, thymineCytosine, uracile
PurinesAdénine, guanineAdénine, guanine

Même si l'ARN est simple brin, la plupart des types d'ARN présentent un appariement de bases intramoléculaire étendu entre des séquences complémentaires, créant une structure tridimensionnelle prévisible essentielle à leur fonction.

Comme vous l'avez appris, le flux d'informations dans un organisme se fait de l'ADN à l'ARN à la protéine. L'ADN dicte la structure de l'ARNm dans un processus connu sous le nom de transcription, et l'ARN dicte la structure de la protéine dans un processus connu sous le nom de traduction. C'est ce qu'on appelle le dogme central de la vie, qui est vrai pour tous les organismes ; cependant, des exceptions à la règle se produisent dans le cadre d'infections virales.

Lien vers l'apprentissage

Pour en savoir plus sur l'ADN, explorez les animations BioInteractive du Howard Hughes Medical Institute sur le thème de l'ADN.

Sommaire

Les acides nucléiques sont des molécules composées de nucléotides qui dirigent les activités cellulaires telles que la division cellulaire et la synthèse des protéines. Chaque nucléotide est composé d'un sucre pentose, d'une base azotée et d'un groupe phosphate. Il existe deux types d'acides nucléiques : l'ADN et l'ARN. L'ADN porte le modèle génétique de la cellule et est transmis des parents à la progéniture (sous forme de chromosomes). Il a une structure en double hélice avec les deux brins allant dans des directions opposées, reliés par des liaisons hydrogène et complémentaires l'un de l'autre. L'ARN est simple brin et est composé d'un sucre pentose (ribose), d'une base azotée et d'un groupe phosphate. L'ARN est impliqué dans la synthèse des protéines et leur régulation. L'ARN messager (ARNm) est copié à partir de l'ADN, est exporté du noyau vers le cytoplasme et contient des informations pour la construction de protéines. L'ARN ribosomal (ARNr) fait partie des ribosomes au site de synthèse des protéines, tandis que l'ARN de transfert (ARNt) transporte l'acide aminé vers le site de synthèse des protéines. Le microARN régule l'utilisation de l'ARNm pour la synthèse des protéines.

Connexions artistiques

[lien] Une mutation se produit et la cytosine est remplacée par l'adénine. Quel impact pensez-vous que cela aura sur la structure de l'ADN ?

[lien] L'adénine est plus grosse que la cytosine et ne pourra pas s'apparier correctement avec la guanine sur le brin opposé. Cela provoquera un gonflement de l'ADN. Les enzymes de réparation de l'ADN peuvent reconnaître le renflement et remplacer le nucléotide incorrect.

Questions de révision

Un nucléotide d'ADN peut contenir ________.

  1. ribose, uracile et un groupe phosphate
  2. désoxyribose, uracile et un groupe phosphate
  3. désoxyribose, thymine et un groupe phosphate
  4. ribose, thymine et un groupe phosphate

C

Les éléments constitutifs des acides nucléiques sont ________.

  1. sucres
  2. bases azotées
  3. peptides
  4. nucléotides

Réponse libre

Quelles sont les différences structurelles entre l'ARN et l'ADN ?

L'ADN a une structure en double hélice. Le sucre et le phosphate sont à l'extérieur de l'hélice et les bases azotées sont à l'intérieur. Les monomères de l'ADN sont des nucléotides contenant du désoxyribose, l'une des quatre bases azotées (A, T, G et C) et un groupe phosphate. L'ARN est généralement simple brin et est constitué de ribonucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide contient du ribose (le sucre pentose), l'une des quatre bases azotées (A, U, G et C) et le groupe phosphate.

Quels sont les quatre types d'ARN et comment fonctionnent-ils ?

Les quatre types d'ARN sont l'ARN messager, l'ARN ribosomique, l'ARN de transfert et le microARN. L'ARN messager transporte les informations de l'ADN qui contrôle toutes les activités cellulaires. L'ARNm se lie aux ribosomes qui sont constitués de protéines et d'ARNr, et l'ARNt transfère l'acide aminé correct au site de synthèse des protéines. le microARN régule la disponibilité de l'ARNm pour la traduction.

Glossaire

acide désoxyribonucléique (ADN)
molécule à double hélice qui porte l'information héréditaire de la cellule
ARN messager (ARNm)
ARN qui transporte l'information de l'ADN aux ribosomes pendant la synthèse des protéines
acide nucléique
macromolécule biologique qui porte le modèle génétique d'une cellule et contient des instructions pour le fonctionnement de la cellule
nucléotide
monomère d'acides nucléiques; contient un sucre pentose, un ou plusieurs groupes phosphate et une base azotée
phosphodiester
liaison liaison chimique covalente qui maintient ensemble les chaînes polynucléotidiques avec un groupe phosphate reliant deux sucres pentoses de nucléotides voisins
polynucléotide
longue chaîne de nucléotides
purine
type de base azotée dans l'ADN et l'ARN; l'adénine et la guanine sont des purines
pyrimidine
type de base azotée dans l'ADN et l'ARN; la cytosine, la thymine et l'uracile sont des pyrimidines
acide ribonucléique (ARN)
molécule simple brin, souvent appariée en interne, qui est impliquée dans la synthèse des protéines
ARN ribosomique (ARNr)
ARN qui assure le bon alignement de l'ARNm et des ribosomes pendant la synthèse des protéines et catalyse la formation de la liaison peptidique
transcription
processus par lequel l'ARN messager se forme sur une matrice d'ADN
ARN de transfert (ARNt)
ARN qui transporte les acides aminés activés vers le site de synthèse des protéines sur le ribosome
Traduction
processus par lequel l'ARN dirige la formation de protéines


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