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Découverte de la structure de l'ADN

Structure de la double hélice d'ADN et sa découverte par Chargaff, Watson et Crick, ainsi que Wilkins et Franklin.

Introduction

Aujourd'hui, la double hélice d'ADN est probablement la plus emblématique de toutes les molécules biologiques. Elle a été source d'inspiration pour la confection d'escaliers, de décorations, de ponts piétons (comme celui de Singapour, qui figure ci-dessous), et plus encore.
Je dois avouer que je suis totalement d'accord avec les architectes et les dessinateurs : la double hélice est une structure magnifique, dont la forme s’adapte remarquablement bien à sa fonction. Mais elle n'a pas toujours fait partie de notre paysage culturel. En fait, jusqu'aux années 1950, la structure de l'ADN était inconnue.
Crédit d'image : "Double helix bridge," de William Cho, CC BY-SA 2.0
Dans cet article, on va brièvement explorer comment la structure en double hélice de l'ADN a été découverte grâce aux travaux de James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin et d'autres chercheurs. Ensuite, on va jeter un coup d'œil aux propriétés de la double hélice en elle-même.

Les composants de l'ADN

Grâce travail du biochimiste Phoebus Levene, entre autres, les scientifiques de l'époque de Watson et Crick savaient que l'ADN était composé de sous-unités appelées nucléotidesstart superscript, 1, end superscript. Un nucléotide est constitué d'un sucre (désoxyribose), d'un groupe phosphate et de l'une des quatre bases azotées : adénine (A), thymine (T), guanine (G) ou cytosine (C).
Les bases C et T, qui n'ont qu'un seul cycle, sont appelées pyrimidines, tandis que les bases A et G, qui ont deux cycles, sont appelées purines.
Panneau à gauche : structure du nucléotide de l'ADN. Le sucre désoxyribose est attaché à un groupe de phosphates et à une base azotée. La base peut être l'une des quatre options possibles : la cytosine (C), la thymine (T), l'adénine (A) et la guanine (G). Les quatre bases présentent des différences dans leur structure et leurs groupes fonctionnels. La cytosine et la thymine sont des pyrimidines et n'ont qu'un seul cycle dans leurs structures chimiques. L'adénine et la guanine sont des purines et ont une structure à deux cycles.
Panneau à droite : un brin de nucléotides liés dans l'ADN. Les sucres sont reliés par des liaisons phosphodiesters. Une liaison phosphodiester se compose d'un groupe phosphate dans lequel deux des atomes d'oxygène sont liés à d'autres atomes - dans ce cas, aux atomes de carbone des sucres désoxyriboses voisins. Le brin d'ADN consiste en une alternance de groupes de phosphates et de sucres désoxyriboses (squelette sucre-phosphate), avec les bases azotées qui dépassent des sucres désoxyriboses.
Crédits d'image : panneau de gauche, image modifiée à partir de "Nucleic acids: Figure 1," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Panneau de droite, image modifiée à partir de "DNA chemical structure," par Madeleine Price Ball (CC0/public domain).
Les nucléotides de l'ADN forment des chaînes associées par des liaisons covalentes, qui s'établissent entre le sucre désoxyribose d'un nucléotide et le groupe phosphate du suivant. Cet arrangement constitue une chaîne qui alterne sucre désoxyribose et groupes phosphates au sein du polymère d'ADN, une structure connue sous le nom de squelette sucre-phosphate.

Les règles de Chargaff

Une autre information clé liée à la structure de l'ADN provient du biochimiste autrichien Erwin Chargaff. Chargaff a analysé l'ADN de différentes espèces et a déterminé leur composition en bases A, T, C et G. Il a réalisé plusieurs observations essentielles :
  • Les bases A, T, C et G ne sont pas présentes en quantités égales (comme certains modèles de l'époque l'avaient prévu)
  • Les quantités de bases varient entre les espèces, mais pas entre les individus de la même espèce
  • La quantité de A est toujours égale à celle de T, et la quantité de C équivaut toujours à celle de G (A = T et G = C).
Ces découvertes, qualifiées de règles de Chargaff, se sont avérées cruciales pour le modèle de la double hélice d'ADN de Watson et Crick.

Watson, Crick et Rosalind Franklin

Au début des années 1950, le biologiste américain James Watson et le physicien anglais Francis Crick proposent leur célèbre modèle de la double hélice d'ADN. Ils sont les premiers à franchir la ligne d'arrivée dans cette "course" scientifique, avant d'autres comme Linus Pauling (qui a découvert la structure secondaire des protéines) qui essayait aussi de trouver le bon modèle.
Plutôt que de réaliser de nouvelles expériences en laboratoire, Watson et Crick ont principalement collecté et analysé des données existantes, en les associant de manière nouvelle et judicieusesquared. Certains de leurs indices les plus essentiels pour déterminer la structure de l'ADN avaient été avancés par Rosalind Franklin, une chimiste qui travaillait dans le laboratoire du physicien Maurice Wilkins.
Franklin était experte d'une puissante technique pour déterminer la structure des molécules, connue sous le nom de cristallographie aux rayons X. Lorsque la forme cristallisée d'une molécule, telle que l'ADN, est exposée aux rayons X, certains des rayons sont déviés par les atomes qui constituent le cristal. Cela génère un motif de diffraction qui donne des indices sur la structure de la molécule.
Image de diffraction aux rayons X de l'ADN. Le profil de diffraction a une forme en X caractéristique de la structure hélicoïdale de l'ADN double brin.
Image modifiée à partir de "DNA structure and sequencing: Figure 2," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)
La cristallographie de Franklin a fourni à Watson et à Crick d’importants indices sur la structure de l’ADN. Certains d'entre eux provenaient de la fameuse "image 51", un cliché de diffraction aux rayons X de l'ADN, particulièrement clair et saisissant, produit par Franklin et son doctorant. (Un exemple moderne du modèle de diffraction produit par l'ADN est montré ci-dessus.) Pour Watson, le profil de diffraction en forme de X de l'image de Franklin a immédiatement suggéré que l'ADN présentait une structure hélicoïdale à deux brinscubed.
Watson et Crick ont rassemblé des données issues de plusieurs chercheurs (incluant Franklin, Wilkins, Chargaff, et d’autres) pour élaborer leur célèbre modèle de la structure 3D de l’ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins reçoivent le prix Nobel de médecine. Malheureusement, à cette époque, Franklin était déjà morte et les prix Nobel ne sont pas décernés à titre posthume.

Modèle de l'ADN de Watson et Crick

La structure de l'ADN, telle qu'elle est représentée dans le modèle de Watson et Crick, est une hélice droite à deux brins antiparallèles. Le squelette sucre-phosphate des brins d'ADN constitue l'extérieur de l'hélice, alors que les bases azotées se situent à l'intérieur et forment des paires connectées par des liaisons hydrogène qui assurent la cohésion des deux brins d'ADN.
Dans le modèle ci-dessous, les atomes oranges et rouges représentent les phosphates du squelette sucre-phosphate, tandis que les atomes bleus à l'intérieur de l'hélice appartiennent aux bases azotées.
Animation de la structure moléculaire 3D de la double hélice d'ADN.
Crédit d'image : "Bdna cropped," de Jahobr, domaine public.

Orientation antiparallèle

L'ADN double brin est une molécule antiparallèle, ce qui signifie qu'il est composé de deux brins qui sont côte à côte, mais qui pointent dans des directions opposées. Dans une molécule d'ADN double brin, l'extrémité 5' (extrémité phosphate) d'un brin s'aligne avec l'extrémité 3' (extrémité hydroxyle) de son partenaire, et vice versa.
Panneau à gauche : illustration de la structure antiparallèle de l'ADN. Un court fragment de la double hélice d'ADN y est représenté. Il est composé de deux brins d'ADN maintenus ensemble grâce aux liaisons hydrogène établies entre les bases. Le brin de gauche comporte un groupe phosphate exposé en haut (extrémité 5') et un groupe hydroxyle exposé en bas (extrémité 3'). Le brin de droite a une orientation opposée, avec un groupe phosphate exposé en bas (extrémité 5') et un groupe hydroxyle exposé en haut (extrémité 3'). L'extrémité 5' d'un brin se termine donc à côté de l'extrémité 3' de l'autre brin, et vice versa.
Panneau à droite : structure d'un nucléotide, montrant le groupe 5' phosphate et le groupe 3' hydroxyle. Ces groupes tirent leur nom de leurs positions sur le cycle du sucre désoxyribose. Les atomes de carbone du cycle du sucre sont notés de 1' (le carbone qui porte la base azotée) à 5' (le carbone qui porte le groupe phosphate). Le carbone 3' au milieu porte le groupe hydroxyle.
_Image modifiée à partir de "DNA chemical structure," de Madeleine Price Ball (CC0/public domain)._

Hélice droite

Dans le modèle de Watson et de Crick, les deux brins d'ADN s'enroulent l'un autour de l'autre pour former une hélice droite. Toutes les hélices présentent une chiralité : une propriété qui décrit comment leurs sillons sont orientés dans l'espace.
Image d'une double hélice d'ADN, montrant sa structure droite. Le sillon majeur (ou grand sillon) présente un écart plus large qui s'étend en spirale le long de la molécule, tandis que le sillon mineur (ou petit sillon), plus étroit, se déploie parallèlement au grand sillon. Les paires de bases se trouvent au centre de l'hélice, tandis que le squelette sucre-phosphate est à l'extérieur.
_Image modifiée à partir de "DNA structure and sequencing: Figure 3," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
La torsion de la double hélice d'ADN et la géométrie des bases créent un écart plus large (appelé sillon majeur) et un plus étroit (appelé sillon mineur) sur toute la longueur de la molécule, comme illustré dans la figure ci-dessus. Ces sillons constituent d'importants sites de liaison des protéines qui maintiennent l'ADN et régulent l'activité des gènes.

Appariement des bases

Dans le modèle de Watson et de Crick, la cohésion des deux brins de la double hélice d'ADN est maintenue grâce aux liaisons hydrogène établies entre des bases azotées des brins opposés. Chaque paire de bases est "plate" et forme un "barreau" de l'échelle de la molécule d'ADN.
Les paires de bases ne sont pas simplement composées de n'importe quelle combinaison de bases. En fait, si on trouve un A sur l'un des brins, il doit être apparié avec un T sur l'autre (et vice versa). De même, un G sur un brin doit toujours avoir un C comme partenaire sur le brin opposé. Ces associations A-T et G-C sont connues sous le nom de paires de bases complémentaires.
Schéma illustrant l'appariement entre les bases A-T et G-C. A et T se trouvent en face sur les deux brins de l'hélice, et leurs groupes fonctionnels forment deux liaisons hydrogène qui maintiennent les brins ensemble. De même, G et C se situent à l'opposé l'un de l'autre sur les deux brins, et leurs groupes fonctionnels génèrent trois liaisons hydrogène qui assurent la cohésion des brins.
_Image modifiée à partir de "DNA structure and sequencing: Figure 3," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
L'appariement des bases explique les règles de Chargaff, c'est-à-dire pourquoi la composition en A est toujours égale à celle en T, et pourquoi celle de C équivaut à celle de Gstart superscript, 11, end superscript. Lorsqu'il y a un A sur un brin, il doit y avoir un T sur l'autre. Il en va de même pour G et C. Parce qu'une grande base purine (A ou G) est toujours associée à une petite pyrimidine (T ou C), le diamètre de l'hélice est uniforme, commençant à environ 2 nanomètres.
Bien que le modèle original de Watson et Crick ait avancé qu'il y avait deux liaisons hydrogène entre les bases de chaque paire, on sait aujourd'hui que G et C disposent d'une liaison supplémentaire (ainsi les paires A-T forment un total de deux liaisons hydrogène, tandis que les paires G-C en forment trois)start superscript, 12, end superscript.

Effet de la double hélice

La structure de l'ADN a ouvert la porte à la compréhension de nombreux aspects fonctionnels de l'ADN, comme la façon dont il est copié et comment l'information qu'il transporte est utilisée par la cellule pour fabriquer des protéines.
Comme on le verra dans les prochains articles et vidéos, le modèle de Watson et Crick a été le précurseur d'une nouvelle ère de découvertes en biologie moléculaire. Le modèle et les découvertes qu'il a permises sont à la base d'une grande partie de la recherche de pointe actuelle en biologie et en biomédecine.

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