3.5 : Acides nucléiques

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 contiennent le schéma génétique d'une cellule et 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, 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 relève de la génomique. Dans les cellules eucaryotes, mais pas dans les procaryotes, l'ADN forme un complexe avec les protéines histones pour former la chromatine, 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 des produits à base 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, tels que l'ARNr, l'ARNt et le microARN, sont impliqués dans la synthèse des protéines et leur régulation.

L'ADN et l'ARN sont composés 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 d'un nucléotide est attachée à une molécule de sucre, laquelle est attachée à un ou plusieurs groupes phosphates.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Un nucléotide est composé de trois composants : une base azotée, un sucre pentose et un ou plusieurs groupes phosphates. Les résidus de carbone dans le pentose sont numérotés de 1′ à 5′ (le premier distingue ces résidus de ceux de la base, qui sont numérotés sans utiliser de notation première). La base est fixée à la position 1' du ribose, et le phosphate est fixé à la position 5'. Lorsqu'un polynucléotide se forme, le phosphate 5' du nucléotide entrant se fixe au groupe hydroxyle 3' à l'extrémité de la chaîne de croissance. Deux types de pentose sont présents dans les nucléotides, le désoxyribose (présent dans l'ADN) et le ribose (présent dans l'ARN). Le désoxyribose a une structure 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 cycle et les pyrimidines ont un cycle unique.

Les bases azotées, composants importants des nucléotides, sont des molécules organiques appelées ainsi parce qu'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, diminuant ainsi 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 primaire d'une purine est constituée de deux cycles carbone-azote. La cytosine, la thymine et l'uracile sont classés comme des pyrimidines dont la structure principale est un seul cycle carbone-azote (Figure\(\PageIndex{1}\)). Chacun de ces cycles carbone-azote de base est associé à différents groupes fonctionnels. En abréviation 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 second 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 nombre premier »). Le résidu de 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 une simple réaction de déshydratation comme les autres liaisons reliant les monomères dans les macromolécules : sa formation implique l'élimination de deux groupes phosphates. Un polynucléotide peut avoir des milliers de liaisons phosphodiester de ce type.

Structure à double hélice de l'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 entre elles par des liaisons hydrogène. Chaque paire de bases du double hélice est séparée de la paire de bases suivante par 0,34 nm. Les deux brins de l'hélice s'étendent dans des directions opposées, ce qui signifie que l'extrémité en carbone 5' d'un brin fera face à l'extrémité en carbone 3' de son brin correspondant. (C'est ce que l'on appelle l'orientation antiparallèle et elle est importante pour la réplication de l'ADN et dans de nombreuses interactions avec les acides nucléiques.)

Figure\(\PageIndex{2}\) : L'ADN natif est une double hélice antiparallèle. Le squelette phosphaté (indiqué par les courbes) se trouve à l'extérieur et les bases 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 base sont autorisés. Par exemple, une certaine purine ne peut être associée qu'à une certaine pyrimidine. Cela signifie que A peut se coupler avec T, et G peut s'apparier avec C, comme indiqué sur la figure\(\PageIndex{3}\). C'est ce que l'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. Lors 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

Figure\(\PageIndex{3}\) : Dans une molécule d'ADN double brin, les deux brins sont antiparallèles l'un à l'autre, de sorte que l'un des brins s'étend de 5′ à 3′ et l'autre de 3′ à 5′. Le squelette du phosphate est situé à l'extérieur et les bases au milieu. L'adénine forme des liaisons hydrogène (ou paires de bases) avec la thymine, et des paires de bases de guanine avec la cytosine.

Une mutation se produit et la cytosine est remplacée par de 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 monocaténaire et est composé de ribonucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide de 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 ribosomal (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN). Le premier, l'ARNm, transmet le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires d'une cellule. Si une cellule a besoin d'une certaine protéine pour être synthétisée, le gène de ce produit est activé et l'ARN messager est synthétisé dans le noyau. La séquence de base de l'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 possède une séquence AATTGCGC, la séquence de l'ARN complémentaire est UUAACGCG. Dans le cytoplasme, l'ARNm interagit avec les ribosomes et d'autres mécanismes cellulaires (Figure\(\PageIndex{4}\)).

Figure\(\PageIndex{4}\) : Un ribosome est composé 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 un appariement de bases complémentaires et ajoute le bon acide aminé à la chaîne peptidique en croissance.

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 se lie l'ARNm. 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 long de 70 à 90 nucléotides. Il transporte l'acide aminé correct vers le site de synthèse des protéines. C'est l'appariement de 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 consiste à réguler 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.

	ADN	ARN
Fonction	Transporte des informations génétiques	Participe à la synthèse des protéines
Endroit	Reste dans le noyau	Quitte le noyau
Structure	Double hélice	Généralement simple brin
Sucre	Désoxyribose	Ribose
Pyrimidines	Cytosine, thymine	Cytosine, uracile
Purines	Adénine, guanine	Adénine, guanine

Même si l'ARN est monocaténaire, la plupart des types d'ARN présentent un important appariement de bases intramoléculaires entre des séquences complémentaires, créant ainsi une structure tridimensionnelle prévisible essentielle à leur fonctionnement.

Comme vous l'avez appris, le flux d'informations dans un organisme se fait de l'ADN à l'ARN en passant par les protéines. L'ADN dicte la structure de l'ARNm dans un processus connu sous le nom de transcription, et l'ARN dicte la structure des protéines dans un processus connu sous le nom de traduction. C'est ce que l'on appelle le dogme central de la vie, qui vaut pour tous les organismes ; toutefois, des exceptions à cette règle se produisent en relation avec les infections virales.

Lien vers l'apprentissage

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

Résumé

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 schéma génétique de la cellule et est transmis des parents à la progéniture (sous forme de chromosomes). Il possède une structure à double hélice, les deux brins s'étendant dans des directions opposées, reliés par des liaisons hydrogène et complémentaires l'un de l'autre. L'ARN est monocaténaire et est composé d'un sucre pentose (ribose), d'une base azotée et d'un groupe phosphate. L'ARN participe à la synthèse des protéines et à 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 des protéines. L'ARN ribosomal (ARNr) fait partie des ribosomes situés au site de synthèse des protéines, tandis que l'ARN de transfert (ARNt) transporte l'acide aminé vers le site de synthèse des protéines. Les microARN régulent l'utilisation de l'ARNm pour la synthèse des protéines.

Connexions artistiques

Figurine\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

Answer

Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

Glossary

deoxyribonucleic acid (DNA)

double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell

messenger RNA (mRNA)

RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis

nucleic acid

biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell

nucleotide

monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base

phosphodiester

linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides

polynucleotide

long chain of nucleotides

purine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines

pyrimidine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines

ribonucleic acid (RNA)

single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis

ribosomal RNA (rRNA)

RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage

transcription

process through which messenger RNA forms on a template of DNA

transfer RNA (tRNA)

RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome

translation

process through which RNA directs the formation of protein