Qu'est-ce que l'acide ribonucléique?

L'acide ribonucléique, ou ARN, est l'un des deux types d'acides nucléiques présents dans la vie sur Terre. L'autre, l'acide désoxyribonucléique (ADN), a longtemps occupé une place plus importante que l'ARN dans la culture populaire, dans l'esprit des observateurs occasionnels et ailleurs. L'ARN, cependant, est l'acide nucléique le plus polyvalent; il prend les instructions qu'il reçoit de l'ADN et les transforme en une variété d'activités coordonnées impliquées dans la synthèse des protéines. Considéré de cette manière, l'ADN pourrait être considéré comme le président ou le chancelier dont la contribution détermine en fin de compte ce qui se passe au niveau des événements quotidiens, considérant que RNA est l'armée de fantassins loyaux et de travailleurs grunts qui accomplissent le travail réel et font preuve d'un large éventail de compétences impressionnantes dans le traiter.

L'ARN, comme l'ADN, est une macromolécule (en d'autres termes, une molécule avec un nombre relativement grand d'atomes individuels, contrairement, disons, au CO

L'adénine et la guanine sont classées chimiquement comme purines, alors que la cytosine et l'uracile appartiennent à la catégorie des substances appelées pyrimidines. Les purines se composent principalement d'un cycle à cinq membres relié à un cycle à six membres, tandis que les pyrimidines sont considérablement plus petites et n'ont qu'un cycle à six carbones. L'adénine et la guanine ont une structure très similaire, tout comme la cytosine et l'uracile.

Le sucre pentose dans l'ARN est ribose, qui comprend un cycle avec cinq atomes de carbone et un atome d'oxygène. Le groupe phosphate est lié à un atome de carbone dans le cycle d'un côté de l'atome d'oxygène, et la base azotée est liée à l'atome de carbone de l'autre côté de l'oxygène. Le groupe phosphate se lie également au ribose sur le nucléotide adjacent, de sorte que le ribose et la partie phosphate d'un nucléotide forment ensemble la "colonne vertébrale" de l'ARN.

Les bases azotées peuvent être considérées comme la partie la plus critique de l'ARN, car ce sont elles, en groupes de trois dans des nucléotides adjacents, qui sont de la plus haute importance fonctionnelle. Des groupes de trois bases adjacentes forment des unités appelées codes triplés, ou codons, qui transportent des signaux spéciaux vers la machinerie qui assemble les protéines en utilisant les informations câblées d'abord dans l'ADN, puis dans l'ARN. Sans que ce code soit interprété tel qu'il est, l'ordre des nucléotides serait sans importance, comme cela sera décrit sous peu.

Lorsque des personnes ayant un peu d'expérience en biologie entendent le terme « ADN », il est probable que l'une des premières choses qui leur viennent à l'esprit soit la « double hélice ». Le distinctif La structure de la molécule d'ADN a été élucidée par Watson, Crick, Franklin et d'autres en 1953, et l'une des découvertes de l'équipe était que l'ADN est double brin et hélicoïdal dans sa forme forme habituelle. L'ARN, en revanche, est pratiquement toujours simple brin.

De plus, comme le suggèrent les noms de ces macromolécules respectives, l'ADN contient un sucre ribose différent. Au lieu du ribose, il contient du désoxyribose, un composé identique au ribose, sauf pour avoir un atome d'hydrogène à la place de l'un de ses groupes hydroxyle (-OH).

Enfin, alors que les pyrimidines dans l'ARN sont la cytosine et l'uracile, dans l'ADN, ce sont la cytosine et la thymine. Dans les "échelons" de "l'échelle" de l'ADN double brin, l'adénine se lie avec et seulement avec la thymine, tandis que la cytosine se lie avec et seulement avec la guanine. (Pouvez-vous penser à une raison architecturale pour laquelle les bases puriques ne se lient qu'aux bases pyrimidiques au centre de l'ADN? Astuce: les "côtés" de l'échelle doivent rester à une distance fixe l'un de l'autre.) Lorsque l'ADN est transcrit et qu'un brin complémentaire d'ARN est créé, le nucléotide généré en face de l'adénine dans l'ADN est l'uracile, pas la thymine. Cette distinction aide la nature à éviter de confondre ADN et ARN dans des environnements cellulaires dans lesquels les choses pourraient résulter du comportement indésirable si les enzymes qui agissent sur le respectif molécules.

Alors que seul l'ADN est double brin, l'ARN est beaucoup plus apte à former des structures tridimensionnelles élaborées. Cela a permis à trois formes essentielles d'ARN de se développer dans les cellules.

L'ARN se décline en trois types de base, bien qu'il existe également des variétés supplémentaires très obscures.

ARN messager (ARNm) : Les molécules d'ARNm contiennent la séquence codante pour les protéines. Les molécules d'ARNm varient considérablement en longueur, les eucaryotes (essentiellement la plupart des êtres vivants qui ne sont pas des bactéries) comprenant le plus grand ARN jamais découvert. De nombreux transcrits dépassent 100 000 bases (100 kilobases, ou ko) de longueur.

ARN de transfert (ARNt) : L'ARNt est une molécule courte (environ 75 bases) qui transporte les acides aminés et les déplace vers la protéine en croissance pendant la traduction. On pense que les ARNt ont un arrangement tridimensionnel commun qui ressemble à une feuille de trèfle sur l'analyse aux rayons X. Ceci est provoqué par la liaison de bases complémentaires lorsqu'un brin d'ARNt se replie sur lui-même, un peu comme un ruban adhésif se colle sur lui-même lorsque vous rapprochez accidentellement les côtés d'une bande de celui-ci.

ARN ribosomique (ARNr) : Les molécules d'ARNr représentent 65 à 70 pour cent de la masse de l'organite appelée le ribosome, la structure qui héberge directement la traduction ou la synthèse des protéines. Les ribosomes sont très volumineux par rapport aux normes cellulaires. Les ribosomes bactériens ont des poids moléculaires d'environ 2,5 millions, tandis que les ribosomes eucaryotes ont des poids moléculaires d'environ une fois et demie. (Pour référence, le poids moléculaire du carbone est de 12; aucun élément ne dépasse 300.)

Un ribosome eucaryote, appelé 40S, contient un ARNr ainsi qu'environ 35 protéines différentes. Le ribosome 60S contient trois ARNr et environ 50 protéines. Les ribosomes sont donc un méli-mélo d'acides nucléiques (ARNr) et les produits protéiques que d'autres acides nucléiques (ARNm) portent le code pour créer.

Jusqu'à récemment, les biologistes moléculaires supposaient que l'ARNr jouait un rôle principalement structurel. Des informations plus récentes, cependant, indiquent que l'ARNr dans les ribosomes agit comme une enzyme, tandis que les protéines qui l'entourent agissent comme un échafaudage.

La transcription est le processus de synthèse d'ARN à partir d'une matrice d'ADN. Étant donné que l'ADN est double brin et que l'ARN est simple brin, les brins d'ADN doivent être séparés avant que la transcription puisse se produire.

Une certaine terminologie est utile à ce stade. Un gène, dont tout le monde a entendu parler mais que peu d'experts non biologistes peuvent définir formellement, n'est qu'une portion d'ADN qui contient à la fois un matrice pour la synthèse d'ARN et séquences de nucléotides qui permettent de réguler et de contrôler la production d'ARN à partir de la matrice Région. Lorsque les mécanismes de synthèse des protéines ont été décrits pour la première fois avec précision, les scientifiques ont émis l'hypothèse que chaque gène correspondait à un seul produit protéique. Aussi pratique que cela puisse être (et aussi logique que cela puisse paraître en surface), l'idée s'est avérée incorrecte. Certains gènes ne codent pas du tout pour les protéines, et chez certains animaux, "l'épissage alternatif" dans lequel le même gène peut être déclenché pour fabriquer différentes protéines dans différentes conditions, semble être commun.

La transcription de l'ARN produit un produit qui est complémentaire à la matrice d'ADN. Cela signifie qu'il s'agit d'une sorte d'image miroir et qu'il s'apparierait naturellement à n'importe quelle séquence identique au modèle grâce aux règles d'appariement base-base spécifiques notées précédemment. Par exemple, la séquence d'ADN TACTGGT est complémentaire de la séquence d'ARN AUGACCA, puisque chaque base de la première séquence peut être jumelé à la base correspondante dans la deuxième séquence (notez que U apparaît dans l'ARN où T apparaîtrait dans ADN).

L'initiation de la transcription est un processus complexe mais ordonné. Les étapes comprennent :

1. Les protéines du facteur de transcription se lient à un promoteur "en amont" de la séquence à transcrire.
2. ARN polymérase (l'enzyme qui assemble le nouvel ARN) se lie au complexe promoteur-protéine de l'ADN, qui ressemble un peu au commutateur d'allumage d'une voiture.
3. Le complexe ARN polymérase/promoteur-protéine nouvellement formé sépare les deux brins d'ADN complémentaires.
4. L'ARN polymérase commence à synthétiser l'ARN, un nucléotide à la fois.

Contrairement à l'ADN polymérase, l'ARN polymérase n'a pas besoin d'être « amorcée » par une seconde enzyme. La transcription ne nécessite que la liaison de l'ARN polymérase à la zone promotrice.

Les gènes de l'ADN codent pour des molécules de protéines. Ce sont les « fantassins » de la cellule, remplissant les fonctions nécessaires pour maintenir la vie. Vous pouvez penser à de la viande ou du muscle ou à un shake sain lorsque vous pensez à une protéine, mais la plupart des protéines passent sous le radar de votre vie quotidienne. Les enzymes sont des protéines - des molécules qui aident à décomposer les nutriments, à construire de nouveaux composants cellulaires, à assembler les acides nucléiques (par exemple, l'ADN polymérase) et à faire des copies de l'ADN pendant la division cellulaire.

"L'expression du gène" signifie la fabrication de la protéine correspondante du gène, le cas échéant, et ce processus compliqué comporte deux étapes principales. La première est la transcription, détaillée précédemment. En traduction, les molécules d'ARNm nouvellement fabriquées sortent du noyau et migrent vers le cytoplasme, où se trouvent les ribosomes. (Dans les organismes procaryotes, les ribosomes peuvent se fixer à l'ARNm alors que la transcription est toujours en cours.)

Les ribosomes se composent de deux parties distinctes: la grande sous-unité et la petite sous-unité. Chaque sous-unité est généralement séparée dans le cytoplasme, mais elles se rassemblent sur une molécule d'ARNm. Les sous-unités contiennent un peu de presque tout ce qui a déjà été mentionné: protéines, ARNr et ARNt. Les molécules d'ARNt sont des molécules adaptatrices: une extrémité peut lire le code triplet dans l'ARNm (par exemple, UAG ou CGC) via un appariement de bases complémentaire, et l'autre extrémité se fixe à un acide aminé spécifique. Chaque code triplet est responsable de l'un des quelque 20 acides aminés qui composent toutes les protéines; certains acides aminés sont codés par plusieurs triplets (ce qui n'est pas surprenant, puisque 64 triplets sont possibles - quatre bases élevées à la troisième puissance car chaque triplet a trois bases - et seulement 20 acides aminés sont nécessaire). Dans le ribosome, les complexes d'ARNm et d'aminoacyl-ARNt (morceaux d'ARNt faisant la navette avec un acide aminé) sont maintenus très proches les uns des autres, facilitant l'appariement des bases. L'ARNr catalyse la fixation de chaque acide aminé supplémentaire à la chaîne en croissance, qui devient un polypeptide et finalement une protéine.

En raison de sa capacité à s'organiser en formes complexes, l'ARN peut agir faiblement en tant qu'enzyme. Étant donné que l'ARN peut à la fois stocker des informations génétiques et catalyser des réactions, certains scientifiques ont suggéré un rôle majeur pour l'ARN dans le l'origine de la vie, appelé "le monde de l'ARN". Cette hypothèse soutient que, très loin dans l'histoire de la Terre, les molécules d'ARN ont joué tous les les mêmes rôles des molécules de protéines et d'acides nucléiques jouent aujourd'hui, ce qui serait impossible maintenant mais aurait pu être possible dans un monde prébiotique. Si l'ARN agissait à la fois comme structure de stockage d'informations et comme source de l'activité catalytique nécessaire aux réactions métaboliques de base, il pourrait avoir a précédé l'ADN dans ses premières formes (même s'il est maintenant fabriqué par l'ADN) et a servi de plate-forme pour le lancement d'« organismes » qui sont vraiment auto-répliquant.