L'importance des molécules d'ADN

L'ADN est l'une des rares combinaisons de lettres au cœur d'une discipline scientifique qui semble susciter une niveau significatif de compréhension même chez les personnes ayant peu d'exposition à vie à la biologie ou aux sciences en général. La plupart des adultes qui entendent l'expression « C'est dans son ADN » reconnaissent immédiatement qu'un trait particulier est indissociable de la personne décrite; que la caractéristique est en quelque sorte innée, ne disparaît jamais et peut être transférée aux enfants de cette personne et au-delà. Cela semble être vrai même dans l'esprit de ceux qui n'ont aucune idée de ce que signifie « ADN », c'est-à-dire « acide désoxyribonucléique ».

Les humains sont naturellement fascinés par le concept d'hériter des traits de leurs parents et de transmettre leurs propres traits à leur progéniture. Il est tout à fait naturel que les gens réfléchissent à leur propre héritage biochimique, même si peu peuvent l'imaginer en des termes aussi formels. La reconnaissance que de minuscules facteurs invisibles à l'intérieur de chacun de nous régissent l'apparence et même le comportement des enfants des gens est sûrement présente depuis des centaines d'années. Mais ce n'est qu'au milieu du 20e siècle que la science moderne a révélé avec des détails glorieux non seulement quelles étaient les molécules responsables de l'hérédité, mais aussi à quoi elles ressemblaient.

L'acide désoxyribonucléique est en effet le modèle génétique que tous les êtres vivants conservent dans leurs cellules, une empreinte microscopique unique qui non seulement rend chaque être humain un individu unique en son genre (jumeaux identiques à l'exception des besoins actuels) mais révèle de nombreuses informations vitales sur chaque personne, de la probabilité d'être lié à une autre personne spécifique aux risques de développer une maladie donnée plus tard dans la vie ou de transmettre une telle maladie à l'avenir générations. L'ADN est devenu non seulement le point central naturel de la biologie moléculaire et des sciences de la vie dans leur ensemble, mais aussi une partie intégrante de la science médico-légale et du génie biologique.

James Watson et Francis Crick (et moins communément Rosalind Franklin et Maurice Wilkins) sont largement crédités de la découverte de l'ADN en 1953. Cette perception est cependant erronée. De manière critique, ces chercheurs ont en fait établi que l'ADN existe sous une forme tridimensionnelle sous la forme d'un double hélice, qui est essentiellement une échelle tordue dans différentes directions aux deux extrémités pour créer une spirale façonner. Mais ces scientifiques déterminés et souvent célébrés ne s'appuyaient « que » sur le travail minutieux de biologistes qui travaillaient à la recherche des mêmes informations générales. dès les années 1860, des expériences tout aussi révolutionnaires en elles-mêmes que celles de Watson, Crick et d'autres dans la recherche après la Seconde Guerre mondiale ère.

En 1869, 100 ans avant que les humains ne se rendent sur la lune, un chimiste suisse du nom de Friedrich Miescher a cherché à extraire les composants protéiques des leucocytes (globules blancs) pour déterminer leur composition et une fonction. Ce qu'il a extrait à la place, il l'a appelé « nucléine », et bien qu'il n'ait pas les instruments nécessaires pour apprendre ce que seraient les futurs biochimistes capable d'apprendre, il discerna rapidement que cette « nucléine » était apparentée à des protéines mais n'était pas elle-même une protéine, qu'elle contenait une quantité de phosphore, et que cette substance était résistante à la dégradation par les mêmes facteurs chimiques et physiques qui ont dégradé protéines.

Il faudra plus de 50 ans avant que la véritable importance de l'œuvre de Miescher ne devienne évidente. Dans la deuxième décennie des années 1900, un biochimiste russe, Phoebus Levene, a été le premier à proposer que, ce que nous appelons aujourd'hui les nucléotides, se composait d'une partie sucre, d'une partie phosphate et d'une base portion; que le sucre était du ribose; et que les différences entre les nucléotides étaient dues aux différences entre leurs bases. Son modèle de "polynucléotide" avait quelques défauts, mais selon les normes de l'époque, il était remarquablement sur la cible.

En 1944, Oswald Avery et ses collègues de l'Université Rockefeller ont été les premiers chercheurs connus à suggérer formellement que l'ADN était constitué d'unités héréditaires, ou gènes. Dans la continuité de leurs travaux ainsi que de ceux de Levene, le scientifique autrichien Erwin Chargaff a fait deux découvertes clés: un, que la séquence des nucléotides dans l'ADN varie entre les espèces d'organismes, contrairement à ce que Levene avait proposé; et deux, que dans tout organisme, la quantité totale des bases azotées adénine (A) et guanine (G) combiné, quelle que soit l'espèce, était pratiquement toujours le même que la quantité totale de cytosine (C) et thymine (T). Cela n'a pas tout à fait conduit Chargaff à conclure que A s'apparie avec T et C s'apparie avec G dans tout l'ADN, mais cela a ensuite aidé à étayer la conclusion tirée par d'autres.

Enfin, en 1953, Watson et ses collègues, profitant de moyens rapidement améliorés pour visualiser les structures chimiques tridimensionnelles, mirent tous les ces découvertes ensemble et ont utilisé des modèles en carton pour établir qu'une double hélice correspondait à tout ce qui était connu sur l'ADN d'une manière rien d'autre pourrait.

L'ADN a été identifié comme le matériel héréditaire des êtres vivants bien avant que sa structure ne soit clarifiée, et comme souvent le cas en science expérimentale, cette découverte vitale était en fait accessoire au principal objectif des chercheurs. objectif.
Avant l'apparition de l'antibiothérapie à la fin des années 1930, les maladies infectieuses faisaient bien plus de victimes qu'elles ne le faisaient. faire aujourd'hui, et percer les mystères des organismes responsables était un objectif essentiel de la recherche en microbiologie. En 1913, l'Oswald Avery susmentionné a commencé des travaux qui ont finalement révélé un taux élevé de polysaccharide (sucre) contenu dans des capsules d'espèces bactériennes pneumococciques, qui avaient été isolées de la pneumonie les patients. Avery a émis l'hypothèse que ceux-ci stimulaient la production d'anticorps chez les personnes infectées. Pendant ce temps, en Angleterre, William Griffiths effectuait des travaux qui montraient que les composants morts d'un type de maladie pneumocoque pourrait être mélangé avec les composants vivants d'un pneumocoque inoffensif et produire une forme pathogène de l'ancien genre inoffensif; cela prouvait que tout ce qui passait des bactéries mortes aux bactéries vivantes était héréditaire.

Quand Avery a appris les résultats de Griffith, il a entrepris de mener des expériences de purification dans le but d'isoler le matériel précis dans les pneumocoques qui était héréditaire, et logé dans les acides nucléiques, ou plus précisément, nucléotides. L'ADN était déjà fortement suspecté d'avoir ce qu'on appelait alors populairement « la transformation principes », donc Avery et d'autres ont testé cette hypothèse en exposant le matériel héréditaire à un variété d'agents. Ceux connus pour être destructeurs pour l'intégrité de l'ADN mais inoffensifs pour les protéines ou l'ADN, appelés ADNases, ont été en quantité suffisante pour empêcher la transmission des caractères d'une génération bactérienne à la suivant. Pendant ce temps, les protéases, qui démêlent les protéines, n'ont pas causé de tels dommages.

Le message à retenir du travail d'Avery et de Griffith est que, encore une fois, alors que des personnes comme Watson et Crick ont ​​été à juste titre félicitées pour leurs contributions à la génétique moléculaire, l'établissement de la structure de l'ADN était en fait une contribution assez tardive au processus d'apprentissage de cette molécule spectaculaire.

Chargaff, bien qu'il n'ait manifestement pas décrit la structure de l'ADN dans son intégralité, a montré que, dans en plus de (A + G) = (C + T), les deux brins connus pour être inclus dans l'ADN étaient toujours à la même distance une part. Cela a conduit au postulat que purines (y compris A et G) toujours lié à pyrimidines (y compris C et T) dans l'ADN. Cela avait un sens tridimensionnel, car les purines sont considérablement plus grosses que les pyrimidines, alors que toutes les purines ont essentiellement la même taille et toutes les pyrimidines ont essentiellement la même taille. Cela implique que deux purines liées ensemble prendraient beaucoup plus d'espace entre les brins d'ADN que deux pyrimidines, et aussi que tout appariement purine-pyrimidine donné consommerait la même quantité de espace. Mettre toutes ces informations nécessitait que A se lie à, et uniquement, T et que la même relation soit valable pour C et G si ce modèle devait s'avérer efficace. Et c'est le cas.

Les bases (plus sur celles-ci plus tard) se lient les unes aux autres à l'intérieur de la molécule d'ADN, comme les barreaux d'une échelle. Mais qu'en est-il des brins, ou « côtés », eux-mêmes? Rosalind Franklin, travaillant avec Watson et Crick, a supposé que cette « épine dorsale » était faite de sucre (en particulier un sucre pentose, ou un avec une structure cyclique à cinq atomes) et un groupe phosphate reliant le sucres. En raison de l'idée nouvellement clarifiée de l'appariement des bases, Franklin et les autres ont pris conscience que les deux brins d'ADN dans une même molécule étaient "complémentaires", ou en fait des images miroir l'une de l'autre au niveau de leur nucléotides. Cela leur a permis de prédire le rayon approximatif de la forme tordue de l'ADN avec un degré de précision solide, et l'analyse par diffraction des rayons X a confirmé la structure hélicoïdale. L'idée que l'hélice était une double hélice était le dernier détail majeur sur la structure de l'ADN à se mettre en place, en 1953.

Les nucléotides sont les sous-unités répétitives de l'ADN, ce qui revient à dire que l'ADN est un polymère de nucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'un sucre appelé désoxyribose qui contient une structure cyclique pentagonale avec un oxygène et quatre molécules de carbone. Ce sucre est lié à un groupe phosphate, et à deux endroits le long du cycle à partir de cette position, il est également lié à une base azotée. Les groupes phosphate relient les sucres entre eux pour former le squelette de l'ADN, dont les deux brins s'enroulent autour des bases lourdes en azote liées au milieu de la double hélice. L'hélice fait une torsion complète à 360 degrés environ une fois toutes les 10 paires de bases.

Un sucre lié uniquement à une base azotée est appelé un nucléoside.

L'ARN (acide ribonucléique) diffère de l'ADN de trois manières principales: Premièrement, l'uracile pyrimidine remplace la thymine. Deuxièmement, le sucre pentose est du ribose plutôt que du désoxyribose. Et troisièmement, l'ARN est presque toujours simple brin et se présente sous plusieurs formes, dont la discussion dépasse le cadre de cet article.

L'ADN est "décompressé" en ses deux brins complémentaires lorsque vient le temps de faire des copies. Au fur et à mesure que cela se produit, des brins filles se forment le long des brins parents uniques. Un tel brin fille est formé en continu par l'ajout de nucléotides simples, sous l'action de l'enzyme ADN polymérase. Cette synthèse suit simplement le sens de la séparation des brins d'ADN parent. L'autre brin fille se forme à partir de petits polynucléotides appelés Fragments d'Okazaki qui se forment en fait dans la direction opposée de la décompression des brins parents, et sont ensuite réunis par l'enzyme ADN ligase.

Étant donné que les deux brins filles sont également complémentaires, leurs bases finissent par se lier ensemble pour former une molécule d'ADN double brin identique à la molécule mère.

Chez les bactéries, qui sont unicellulaires et appelées procaryotes, une seule copie de l'ADN de la bactérie (également appelé son génome) se trouve dans le cytoplasme; aucun noyau n'est présent. Chez les organismes eucaryotes multicellulaires, l'ADN se trouve dans le noyau sous forme de chromosomes, qui sont des molécules d'ADN hautement enroulées, enroulées et condensées dans l'espace de quelques millionièmes de mètre de long, et des protéines appelé histones. À l'examen microscopique, les parties chromosomiques qui présentent une alternance de « bobines » d'histones et de simples brins d'ADN (appelés chromatine à ce niveau d'organisation) sont souvent comparés à des billes sur un chaîne. Certains ADN eucaryotes se trouvent également dans les organites des cellules appelées mitochondries.