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Acides nucléiques

Structure et fonction de l'ADN et l'ARN. Nucléotides et polynucléotides. ARNm, ARNr, ARNt, miRNA et siRNA.

Introduction

Les acides nucléiques, et l'ADN en particulier, sont des macromolécules essentielles à la continuité de la vie. L'ADN porte les informations héréditaires transmises des parents aux enfants qui donnent des instructions sur comment (et quand) fabriquer les nombreuses protéines nécessaires pour construire et maintenir la fonction des cellules, des tissus et des organismes.
La façon dont l'ADN transporte cette information, et dont celle-ci est exploitée par les cellules et les organismes, est complexe, fascinante et assez impressionnante, et nous l'étudierons en détail dans la section sur la biologie moléculaire. Ici, on va simplement jeter un rapide coup d'œil aux acides nucléiques sous l'aspect des macromolécules.

Rôles de l'ADN et de l'ARN dans les cellules

Les acides nucléiques, des macromolécules constituées d'unités appelées des nucléotides, existent naturellement sous deux formes : l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L'ADN est le matériel génétique présent chez tous les êtres vivants, depuis les organismes unicellulaires comme les bactéries jusqu'aux mammifères pluricellulaires comme vous et moi. Certains virus utilisent l'ARN, et non l'ADN, comme matériel génétique, mais ils ne sont techniquement pas considérés comme vivants (puisqu'ils ne peuvent pas se reproduire sans l'aide d'un hôte).

L'ADN dans les cellules

Chez les eucaryotes, tels que les plantes et les animaux, l'ADN se situe dans le noyau, un compartiment membranaire spécialisé de la cellule, ainsi que dans certains autres types d'organites (comme les mitochondries et les chloroplastes des plantes). Chez les procaryotes, comme les bactéries, l'ADN n'est pas entouré d'une enveloppe membranaire, mais il se trouve dans une région cellulaire spécialisée nommée le nucléoïde.
Chez les eucaryotes, l'ADN est généralement divisé en un certain nombre de très longs morceaux linéaires appelés des chromosomes, tandis que chez les procaryotes, comme les bactéries, les chromosomes sont beaucoup plus petits et souvent circulaires (en forme d'anneau). Un chromosome peut contenir des dizaines de milliers de gènes, chacun fournissant des instructions sur la façon de fabriquer un produit particulier dont la cellule a besoin.

De l'ADN à l'ARN aux protéines

De nombreux gènes encodent des produits protéiques, ce qui signifie qu'ils spécifient la séquence en acides aminés utilisée pour construire une protéine particulière. Toutefois, avant que cette information puisse être utilisée pour la synthèse protéique, une copie d'ARN (un transcrit) du gène doit d'abord être fabriquée. Ce type d'ARN se nomme un ARN messager (ARNm), car il sert de messager entre l'ADN et les ribosomes, les machines moléculaires qui lisent les séquences d'ARNm pour élaborer des protéines. Cette progression de l'ADN à l'ARN à la protéine constitue le "dogme central" de la biologie moléculaire.
Il est important de noter que tous les gènes n'encodent pas des produits protéiques. Par exemple, certains gènes spécifient des ARN ribosomiques (ARNr), qui entrent dans la composition structurelle des ribosomes, ou encore des ARN de transfert (ARNt), des molécules d'ARN en forme de trèfle qui apportent les acides aminés au ribosome lors de la synthèse protéique. D'autres molécules d'ARN, comme les minuscules microARN (miARN), régulent l'expression d'autres gènes, et de nouveaux types d'ARN non codants sont fréquemment découverts.

Les nucléotides

L'ADN et l'ARN sont des polymères (souvent des polymères très longs dans le cas de l'ADN) constitués de monomères appelés des nucléotides. Lorsque ces monomères se combinent, la chaîne résultante s'appelle un polynucléotide (poly- = "plusieurs").
Chaque nucléotide comprend trois parties : une structure cyclique contenant de l'azote et nommée base azotée, un sucre à cinq carbones et au moins un groupe phosphate. La molécule de sucre occupe une position centrale dans le nucléotide, avec la base attachée à l'un de ses carbones et le groupe (ou les groupes) phosphate attaché à un autre carbone. Examinons tour à tour le rôle de chaque partie d'un nucléotide.
_Image modifiée à partir de "Acides nucléiques : Figure 1," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._

Les bases azotées

Les bases azotées des nucléotides sont des molécules organiques (à base de carbone) composées de structures en anneaux contenant de l'azote.
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 des purines, ce qui signifie que leurs structures contiennent deux anneaux fusionnés de carbone-azote. En revanche, la cytosine et la thymine sont des pyrimidines dotées d'un seul anneau carbone-azote. Les nucléotides de l'ARN peuvent également contenir des bases adénine, guanine et cytosine, mais au lieu de la thymine, ils comportent une autre base pyrimidique appelée l'uracile (U). Comme le montre la figure ci-dessus, chaque base présente une structure unique, avec son propre ensemble de groupes fonctionnels attaché à la structure cyclique.
En biologie moléculaire, les bases azotées sont souvent désignées par leur symbole à une lettre : A, T, G, C et U. L'ADN contient A, T, G et C, alors que l'ARN contient A, U, G et C (c'est-à-dire que le U remplace le T).

Les sucres

En plus d’avoir un lot de bases légèrement différent, les nucléotides de l’ADN et de l’ARN comportent également des sucres légèrement différents. Le sucre à cinq carbones de l'ADN s'appelle le désoxyribose, tandis que dans l'ARN, le sucre est du ribose. Ces deux éléments ont une structure très similaire et diffèrent en un point : le deuxième carbone de ribose porte un groupe hydroxyle, tandis que le carbone équivalent du désoxyribose présente un hydrogène à la place. Les atomes de carbone de la molécule de sucre d’un nucléotide sont numérotés 1′, 2′, 3′, 4′ et 5′ (1′ se lit "un prime"), comme le montre la figure ci-dessus. Dans un nucléotide, le sucre occupe une position centrale, avec la base azotée attachée à son carbone 1′ et le groupe (ou les groupes) phosphate attaché à son carbone 5′.

Le phosphate

Les nucléotides peuvent porter un seul groupe phosphate, ou bien une chaîne contenant jusqu'à trois groupes phosphate, attaché au carbone 5’ du sucre. En chimie, le terme "nucléotide" est parfois utilisé uniquement dans le cas d'un monophosphate, mais en biologie moléculaire, une définition plus large est généralement acceptée1.
Dans une cellule, un nucléotide sur le point d'être ajouté à la fin d'une chaîne polynucléotidique portera une série de trois groupes phosphate. Lorsque le nucléotide rejoint la chaîne d'ADN ou d'ARN en croissance, il perd deux groupes phosphate. Ainsi, dans une chaîne d’ADN ou d’ARN, chaque nucléotide ne possède qu’un seul groupe phosphate.

Les chaînes polynucléotidiques

Du fait de la structure des nucléotides, la chaîne polynucléotidique présente une orientation, c'est-à-dire que ses deux extrémités diffèrent l'une de l'autre. À l'extrémité 5', ou au début de la chaîne, le groupe 5' phosphate du premier nucléotide de la chaîne dépasse. À l'autre extrémité, appelée extrémité 3', le groupe 3' hydroxyle du dernier nucléotide ajouté à la chaîne est exposé. Les séquences d'ADN sont généralement écrites dans le sens 5' vers 3', ce qui signifie que le nucléotide à l'extrémité 5' vient en premier et que le nucléotide à l'extrémité 3' vient en dernier.
Au fur et à mesure que de nouveaux nucléotides sont ajoutés à un brin d'ADN ou d'ARN, le brin grandit à partir de son extrémité 3’, avec le 5′ phosphate du nouveau nucléotide qui s’attache au groupe hydroxyle à l’extrémité 3' de la chaîne. Cela donne une chaîne où chaque sucre est relié à ses voisins par un ensemble de liaisons appelées des liaisons phosphodiester.

Les propriétés de l'ADN

Les chaînes d'acide désoxyribonucléique ou d'ADN se présentent généralement sous la forme d'une double hélice, une structure dans laquelle deux chaînes correspondantes (complémentaires) sont collées l'une à l'autre, comme le montre le schéma à gauche. Les sucres et les phosphates se trouvent à l'extérieur de l'hélice, formant le squelette de l'ADN. Cette partie de la molécule est parfois qualifiée de squelette sucre-phosphate. Les bases azotées s'étendent à l'intérieur, comme les marches d'un escalier, par paires ; les bases d'une paire sont liées l'une à l'autre par des liaisons hydrogène.
Crédit d'image : Jerome Walker/Dennis Myts.
Les deux brins de l'hélice s'étendent dans des directions opposées, ce qui signifie que l’extrémité 5' d’un brin est associée à l’extrémité 3′ de son brin complémentaire. (On parle d'orientation antiparallèle, qui joue un rôle important dans la copie de l'ADN.)
Toutefois, deux bases quelconques peuvent-elles décider de s'associer et de former une paire dans la double hélice ? Absolument pas. En raison de la taille des bases et de leurs groupes fonctionnels, l'appariement des bases est hautement spécifique : A ne peut s'apparier qu'avec T et G ne peut s'apparier qu'avec C, comme indiqué ci-dessous. Cela signifie que la relation entre deux brins d'une double hélice d'ADN est très prévisible.
Par exemple, si la séquence d’un brin est 5’-AATTGGCC-3’, le brin complémentaire doit avoir la séquence 3’-TTAACCGG-5’. Cela permet à chaque base de correspondre à son partenaire :
Lorsque deux séquences d'ADN se correspondent, de sorte qu'elles peuvent s'associer l'une à l'autre de manière antiparallèle et former une hélice, on dit qu'elles sont complémentaires.
Image modifiée à partir de OpenStax Biology.

Les propriétés de l'ARN

Contrairement à l'ADN, l'acide ribonucléique (ARN) est généralement simple brin. Dans une chaîne d'ARN, un nucléotide contiendra un ribose (sucre à cinq carbones), l'une des quatre bases azotées (A, U, G, ou C) et un groupe phosphate. Ici, on va jeter un coup d'œil à quatre principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomique (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et les ARN régulateurs.

L'ARN messager (ARNm)

L'ARN messager (ARNm) est un intermédiaire entre un gène codant et son produit protéique. Si une cellule a besoin de fabriquer une protéine particulière, le gène codant pour cette protéine est "activé", ce qui signifie qu'une enzyme, l'ARN polymérase, fabrique une copie de l'ARN, ou un transcrit, à partir de la séquence ADN du gène. Le transcrit contient les mêmes informations que la séquence ADN du gène. Cependant, dans la molécule d'ARN, la base T est remplacée par un U. Ainsi, si un brin codant d'ADN présente la séquence 5'-AATTGCGC-3', la séquence d'ARN correspondante sera 5'-AAUUGCGC-3'.
Une fois qu'un ARNm est produit, il s'associe à un ribosome, une machine moléculaire spécialisée dans l'assemblage de protéines à partir d'acides aminés. Le ribosome utilise les informations contenues dans l'ARNm pour fabriquer une protéine dotée d'une séquence spécifique, en "lisant" les nucléotides de l'ARNm par groupes de trois (ou codons) et en ajoutant un acide aminé particulier pour chaque codon.
Image modifiée à partir de OpenStax Biology.

L'ARN ribosomique (ARNr) et l'ARN de transfert (ARNt)

L'ARN ribosomique (ARNr) est un composant majeur des ribosomes. Il aide l'ARNm à se fixer au bon endroit afin que sa séquence puisse être lue par le ribosome. Certains ARNr agissent également comme des enzymes, c'est-à-dire qu'ils contribuent à accélérer (catalyser) les réactions chimiques – dans le cas présent, la formation de liaisons entre les acides aminés pour former une protéine. Les ARN qui agissent en tant qu'enzymes sont qualifiés de ribozymes.
Les ARN de transfert (ARNt) sont également impliqués dans la synthèse des protéines, mais leur travail est de transporter – d'apporter des acides aminés au ribosome, en s'assurant que l'acide aminé ajouté à la chaîne est bien celui spécifié par l'ARN. Les ARN de transfert sont constitués d’un seul brin d’ARN, mais ce brin comporte des segments complémentaires qui se collent pour former des régions bicaténaires. Cet appariement de base crée une structure 3D complexe importante pour la fonction de la molécule.
Image modifiée à partir de Protein Data Bank (travail du gouvernement américain).

Les ARN régulateurs (miARN et siARN)

Certains types d'ARN non codants (ARN qui n'encodent pas de protéines) aident à réguler l'expression d'autres gènes. Par exemple, les microARN (miARN) et les petits ARN interférents (siARN) sont de petites molécules d'ARN régulateur d'environ 22 nucléotides de long. Ils se lient à des molécules d'ARNm spécifiques (avec des séquences partiellement ou totalement complémentaires) et réduisent leur stabilité ou interfèrent avec leur traduction, fournissant un moyen pour la cellule de diminuer ou d'ajuster les niveaux de ces ARNm.
Il ne s'agit là que de quelques exemples parmi les nombreux types d'ARN non codants et régulateurs, et les scientifiques en découvrent encore de nouvelles variétés.

Résumé : les caractéristiques de l'ADN et de l'ARN

ADNARN
FonctionSupport de l'information génétiqueImpliqué dans la synthèse protéique et la régulation de l'expression des gènes ; porteur de l'information génétique chez certains virus
SucreDésoxyriboseRibose
StructureDouble héliceGénéralement un seul brin
BasesC, T, A, GC, U, A, G
Image modifiée par OpenStax Biology.

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