Caractéristiques des acides nucléiques

Les acides nucléiques importants dans la nature comprennent l'acide désoxyribonucléique, ou ADN, et l'acide ribonucléique, ou ARN. Ils sont appelés acides car ils sont des donneurs de protons (c'est-à-dire d'atomes d'hydrogène) et, par conséquent, ils portent une charge négative.

Chimiquement, l'ADN et l'ARN sont des polymères, ce qui signifie qu'ils sont constitués d'unités répétitives, souvent en très grand nombre. Ces unités sont appelées nucléotides. Tous les nucléotides comprennent à leur tour trois portions chimiques distinctes: un sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée.

L'ADN diffère de l'ARN de trois manières principales. L'une est que le sucre qui constitue la "colonne vertébrale" structurelle de la molécule d'acide nucléique est le désoxyribose, alors que dans l'ARN, il s'agit du ribose. Si vous êtes un peu familiarisé avec la nomenclature chimique, vous reconnaîtrez qu'il s'agit d'une petite différence dans le schéma structurel global; le ribose a quatre groupes hydroxyle (-OH), tandis que le désoxyribose en a trois.

La deuxième différence est que si l'une des quatre bases azotées présentes dans l'ADN est la thymine, la base correspondante dans l'ARN est l'uracile. Les bases azotées des acides nucléiques sont ce qui dicte les caractéristiques ultimes de ces molécules, car les portions de phosphate et de sucre ne varient pas à l'intérieur ou entre les molécules de la même type.

Enfin, l'ADN est double brin, c'est-à-dire qu'il est constitué de deux longues chaînes de nucléotides liées chimiquement par deux bases azotées. L'ADN est enroulé en une forme de "double hélice", comme une échelle flexible tordue dans des directions opposées aux deux extrémités.

Le désoxyribose se compose d'un anneau de cinq atomes, de quatre atomes de carbone et d'un oxygène, en forme de pentagone ou peut-être de marbre au baseball. Parce que le carbone forme quatre liaisons et l'oxygène deux, cela laisse huit sites de liaison libres sur les quatre atomes de carbone, deux par carbone, un au-dessus et un en dessous du cycle. Trois de ces points sont occupés par des groupes hydroxyle (-OH) et cinq sont revendiqués par des atomes d'hydrogène.

Cette molécule de sucre peut se lier à l'une des quatre bases azotées: adénine, cytosine, guanine et thymine. L'adénine (A) et la guanine (G) sont des purines, tandis que la cytosine (C) et la thymine (T) sont des pyrimidines. Les purines sont des molécules plus grosses que les pyrimidines; parce que les deux brins de toute molécule d'ADN complète sont liés au milieu par leurs bases azotées, ces liaisons doit se former entre une purine et une pyrimidine pour garder la taille totale des deux bases à travers la molécule à peu près constant. (Il est utile de se référer à n'importe quel diagramme d'acides nucléiques lors de la lecture, comme ceux des références.) En l'occurrence, A se lie exclusivement à T dans l'ADN, tandis que C se lie exclusivement à G.

Le désoxyribose lié à une base azotée est appelé un nucléoside. Lorsqu'un groupe phosphate est ajouté au désoxyribose au niveau du carbone situé à deux endroits de l'endroit où la base est attachée, un nucléotide complet est formé. Les particularités des charges électrochimiques respectives sur les différents atomes dans les nucléotides sont responsable de l'ADN double brin formant naturellement une forme hélicoïdale, et les deux brins d'ADN dans la molécule sont appelés brins complémentaires.

Le sucre pentose dans l'ARN est du ribose plutôt que du désoxyribose. Le ribose est identique au désoxyribose sauf que la structure cyclique est liée à quatre groupes hydroxyle (-OH) et quatre atomes d'hydrogène au lieu de trois et cinq respectivement. La partie ribose d'un nucléotide est liée à un groupe phosphate et à une base azotée, comme pour l'ADN, avec une alternance de phosphates et les sucres formant la "colonne vertébrale" de l'ARN. Les bases, comme indiqué ci-dessus, comprennent A, C et G, mais la deuxième pyrimidine dans l'ARN est l'uracile (U) plutôt que T.

Alors que l'ADN ne concerne que le stockage d'informations (un gène est simplement un brin d'ADN qui code pour une seule protéine), différents types d'ARN assument des fonctions différentes. L'ARN messager, ou ARNm, est fabriqué à partir d'ADN lorsque l'ADN ordinairement double brin se divise en deux brins simples à des fins de transcription. L'ARNm résultant se dirige finalement vers les parties des cellules où se produit la fabrication de protéines, portant les instructions de ce processus fournies par l'ADN. Un deuxième type d'ARN, l'ARN de transfert (ARNt), participe à la fabrication des protéines. Cela se produit sur les organites cellulaires appelés ribosomes, et les ribosomes eux-mêmes se composent principalement d'un troisième type d'ARN appelé, à juste titre, ARN ribosomique (ARNr).

Les cinq bases azotées - adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T) dans l'ADN et les trois premières plus l'uracile (U) dans l'ARN - sont les portions d'acides nucléiques qui sont finalement responsables de la diversité des produits géniques à travers la vie choses. Les portions de sucre et de phosphate sont essentielles en ce qu'elles fournissent la structure et l'échafaudage, mais les bases sont là où les codes sont générés. Si vous considérez votre ordinateur portable comme un acide nucléique ou au moins une chaîne de nucléotides, le matériel (par exemple, les lecteurs de disque, le moniteur écran, microprocesseur) est analogue aux sucres et aux phosphates, alors que tous les logiciels et applications que vous exécutez sont comme de l'azote bases, car l'assortiment unique de programmes que vous avez chargés sur votre système fait de votre ordinateur un outil unique en son genre "organisme."

Comme décrit précédemment, les bases azotées sont classées en purines (A et G) ou en pyrimidines (C, T et U). A s'apparie toujours dans un brin d'ADN avec T et C s'apparie toujours avec G. Surtout, lorsqu'un brin d'ADN est utilisé comme matrice pour la synthèse d'ARN (transcription), à chaque point le long de la molécule d'ARN en croissance, le nucléotide d'ARN qui est créé à partir du nucléotide d'ADN « parent » comprend la base qui est celle que la base « parente » lie toujours à. Ceci est exploré dans une autre section.

Les purines se composent d'un cycle azote et carbone à six membres et d'un cycle azote et carbone à cinq membres, comme un hexagone et un pentagone qui partagent un côté. La synthèse des purines implique l'ajustement chimique d'un sucre ribose, suivi de l'ajout d'amino (-NH₂) groupes. Les pyrimidines ont également un cycle d'azote et de carbone à six membres, comme les purines, mais n'ont pas le cycle d'azote et de carbone à cinq membres des purines. Les purines ont donc une masse moléculaire plus élevée que les pyrimidines.

La synthèse de nucléotides contenant des pyrimidines et la synthèse de nucléotides contenant des purines se produisent dans l'ordre inverse en une étape cruciale. Dans les pyrimidines, la partie de base est assemblée en premier et le reste de la molécule est modifié plus tard en un nucléotide. Dans les purines, la partie qui devient finalement l'adénine ou la guanine est modifiée vers la fin de la formation des nucléotides.

La transcription est la création d'un brin d'ARNm à partir d'une matrice d'ADN, portant les mêmes instructions (c'est-à-dire le code génétique) pour fabriquer une protéine particulière que la matrice. Le processus se produit dans le noyau de la cellule, où se trouve l'ADN. Lorsqu'une molécule d'ADN double brin se sépare en brins simples et que la transcription se poursuit, l'ARNm généré à partir d'un brin de la paire d'ADN "décompressé" est identique à l'ADN de l'autre brin d'ADN décompressé, sauf que l'ARNm contient U au lieu de T. (Encore une fois, se référer à un diagramme est utile; voir les références.) L'ARNm, une fois terminé, quitte le noyau à travers les pores de la membrane nucléaire. Une fois que l'ARNm a quitté le noyau, il s'attache à un ribosome.

Les enzymes se fixent ensuite au complexe ribosomique et aident au processus de traduction. La traduction est la conversion de l'instruction de l'ARNm en protéines. Cela se produit lorsque les acides aminés, les sous-unités des protéines, sont générés à partir de « codons » à trois nucléotides sur le brin d'ARNm. Le processus implique également l'ARNr (puisque la traduction a lieu sur les ribsomes) et l'ARNt (qui aide à assembler les acides aminés).

Les brins d'ADN s'assemblent en une double hélice en raison d'une confluence de facteurs connexes. L'une d'entre elles est constituée par les liaisons hydrogène qui se mettent naturellement en place dans différentes parties de la molécule. Au fur et à mesure que l'hélice se forme, les paires de bases azotées de liaison sont perpendiculaires à l'axe de la double hélice dans son ensemble. Chaque tour complet comprend un total d'environ 10 paires liées base-base. Ce que l'on aurait pu appeler les "côtés" de l'ADN lorsqu'ils étaient disposés en "échelle" sont maintenant appelés les "chaînes" de la double hélice. Ceux-ci se composent presque entièrement des portions ribose et phosphate de nucléotides, les bases étant à l'intérieur. On dit que l'hélice a des rainures majeures et mineures qui déterminent sa forme finalement stable.

Alors que les chromosomes peuvent être décrits comme de très longs brins d'ADN, il s'agit d'une simplification grossière. Il est vrai qu'un chromosome donné pourrait, en théorie, être déroulé pour révéler une seule molécule d'ADN ininterrompue, mais cela n'indique pas l'enroulement, le bobinage et le regroupement complexes que l'ADN fait en route pour former un chromosome. Un chromosome comporte des millions de paires de bases d'ADN, et si tout l'ADN était étiré sans casser l'hélice, sa longueur s'étendrait de quelques millimètres à plus d'un centimètre. En réalité, l'ADN est beaucoup plus condensé. Les protéines appelées histones se forment à partir de quatre paires de protéines de sous-unités (huit sous-unités en tout). Cet octamère sert en quelque sorte de bobine pour que la double hélice d'ADN s'enroule deux fois, comme du fil. Cette structure, l'octamère plus l'ADN qui l'entoure, s'appelle un nucléosome. Lorsqu'un chromosome est partiellement déroulé en un brin appelé chromatide, ces nucléosomes apparaissent à la microscopie comme des billes sur un fil. Mais au-dessus du niveau des nucléosomes, une compression supplémentaire du matériel génétique se produit, bien que le mécanisme précis reste insaisissable.

L'ADN, l'ARN et les protéines sont considérés biopolymères car ce sont des séquences répétées d'informations et d'acides aminés qui sont associés aux êtres vivants ("bio" signifie "vie"). Les biologistes moléculaires reconnaissent aujourd'hui que l'ADN et l'ARN, sous une forme ou une autre, sont antérieurs à l'émergence de la vie sur Terre, mais en 2018, personne n'avait compris la voie des premiers biopolymères à la vie simple choses. Certains ont émis l'hypothèse que l'ARN sous une certaine forme était la source originale de toutes ces choses, y compris l'ADN. C'est "l'hypothèse du monde de l'ARN". Cependant, cela présente une sorte de scénario de la poule et de l'œuf pour les biologistes, parce que des molécules d'ARN suffisamment grandes n'auraient apparemment pas pu émerger autrement que transcription. Quoi qu'il en soit, les scientifiques étudient actuellement, avec un empressement croissant, l'ARN comme cible de la première molécule auto-répliquante.

Des produits chimiques qui imitent les constituants des acides nucléiques sont aujourd'hui utilisés comme médicaments, et d'autres développements sont en cours dans ce domaine. Par exemple, une forme légèrement modifiée d'uracile, le 5-fluorouracile (5-FU), est utilisée depuis des décennies pour traiter le carcinome du côlon. Il le fait en imitant suffisamment une vraie base azotée pour qu'elle s'insère dans l'ADN nouvellement fabriqué. Cela conduit finalement à une rupture de la synthèse des protéines.

Des imitateurs de nucléosides (qui, vous vous en souvenez peut-être, sont un sucre ribose plus une base azotée) ont été utilisés dans des thérapies antibactériennes et antivirales. Parfois, c'est la partie de base du nucléoside qui subit une modification, et à d'autres moments, le médicament cible la partie sucre.