- Acides nucléiques
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Acide nucléique
Les acides nucléiques sont des macromolécules, c’est-à-dire de grosses molécules relativement complexes. Ils entrent dans la famille des biomolécules puisqu’ils sont d’une très grande importance dans le règne de la vie, « bios » signifiant vie en grec.
Les acides nucléiques sont des polymères dont l’unité de base, ou monomère, est le nucléotide. Ces nucléotides sont liés les uns aux autres par des liaisons phosphodiester.
Sommaire
Types d'acide nucléique
- Il existe deux types d’acides nucléiques : l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L’ADN contient l’information génétique. L’ARN est la copie de l'ADN (souvent en un seul brin alors que l'ADN est une double hélice = deux brins).
- Différence entre l'ADN et l'ARN : l'ADN est le support de l'information génétique, il contient le génome, tout ce qui est nécessaire à la formation des protéines, mais ne peut sortir du noyau. L'ARN joue plusieurs rôles: il peut être le messager qui copie l'information génétique de l'ADN, il peut aussi jouer un rôle catalytique, ce qui est lié à sa capacité à former de structures complexes. Il est exporté du noyau par les pores nucléaires pour fournir l'information et permettre la synthèse des protéines par les ribosomes.
Propriétés chimiques
Absorbance : 260 nm
Localisation
On trouve des acides nucléiques (ADN et ARN) dans les cellules de presque chaque organisme. Toute cellule eucaryote ou procaryote, soit les cellules animales, les cellules végétales, les bactéries, les mycètes (ou champignons) et même les mitochondries et les chloroplastes contiennent les deux types d’acide nucléique. Toutefois, les virus peuvent contenir de l’ADN ou de l’ARN, mais jamais les deux en même temps.
Chez les eucaryotes, l’ADN se trouve dans le noyau cellulaire, dans la matrice des mitochondries et dans le stroma des plastes. Il s’associe à des protéines comme des histones. Cet agencement d’ADN et de protéines forme la chromatine que l’on retrouve sous forme de chromosomes linéaires chez les eucaryotes (bien visibles durant la mitose) et sous forme de chromosome hélicoïdal unique chez les procaryotes. Pour sa part, l’ARN se retrouve autant au niveau du noyau qu'au niveau du cytosol.
Composition
Structure schématique d'une molécule d'ADN, en bas à gauche un nucléotide
Les acides nucléiques sont constitués d'un enchaînement de nucléotides. Les nucléotides formant l'ADN s'appellent désoxyribonucléotides tandis que ceux formant l'ARN s'appellent ribonucléotides. La nature de ces nucléotides varie selon qu’ils sont dans l’ADN ou dans l’ARN. Toutefois, qu'ils se retrouvent dans l'un ou dans l'autre de ces acides nucléiques, les nucléotides se composent toujours de trois éléments fondamentaux :
- un sucre
- un groupe phosphate
- une base azotée.
Liaisons
Pour soutenir de telles molécules et les maintenir « en un morceau », des liaisons chimiques sont nécessaires. Ces liaisons doivent être fortes pour éviter les bris et pour rester stable, mais doivent également être faibles dans une certaine mesure où ces acides nucléiques doivent constamment être manipulés par diverses protéines, entre autres des enzymes, dans des processus comme la réplication, la transcription ou la traduction.
Liaisons phosphodiester
Dans les acides nucléiques, les différents nucléotides sont placés bout à bout et liés les uns aux autres par des liens 5’- 3’ (prononcé 5 prime – 3 prime) phosphodiester (PO4) : ces chiffres donnent le sens de la liaison : 5' - Nucléotide 1 - PO4 - Nucléotide 2 - PO4 - ... - 3'.
Le phosphate se lie au carbone 3 du sucre du premier nucléotide et au carbone 5 du sucre du nucléotide suivant ; tout ceci par l'intermédiaire de deux liaisons ester. Les liaisons phosphodiester sont des liens covalents, c'est-à-dire qu'il y a partage d'électrons entre les atomes. Le phosphate est donc le lien (ou le pont) entre chaque sucre.
Liaisons covalentes
Les bases azotées sont attachées sur le carbone 1' des sucres par des liaisons covalentes.
Les sucres du squelette par sont reliés par des liaisons phosphodiester. Ce sont des liaisons ester covalentes entre un une fonction alcool du sucre (5'-OH ou 3'-OH) et l'acide phosphorique.
Les interactions entre bases sont en revanche des interactions non-covalentes, de type liaison hydrogène.
Création du squelette
L’alternance des phosphates et des sucres produit le squelette de l’acide nucléique sur lequel s’attachent les bases azotées. Le polymère formé se nomme un brin et a l’allure schématique d’une « corde ».
Le squelette est une partie relativement rigide puisqu'il est composé de liens covalents, des liens chimiques très forts.
Liaisons hydrogène
Dans le cas de l’ADN, les deux brins (les deux cordes) sont disposés de telle sorte que toutes les bases azotées se retrouvent au centre de la structure. Cette structure appelée double hélice est maintenue par des liaisons hydrogène (liens faibles, qui retiennent peu) qui se forment entre les bases azotées complémentaires; l’adénine s’associant toujours avec la thymine (dans l'ADN) ou l’uracile (dans l'ARN) à l’aide de deux liens hydrogène et la guanine s’associant toujours avec la cytosine à l’aide de trois liens hydrogène.
Création de la structure hélicoïdale
Structure 3D de la molécule d'ADNLes deux brins (plus souvent retrouvés dans l'ADN rares dans l'ARN) prennent la forme d'une double hélice (structure hélicoïdale). Cette structure est rendue possible grâce à la souplesse des liens hydrogène.
Cette structure souple est idéale pour permettre aux protéines telles les polymérases, les primases et les ligases, de traduire ou de dupliquer l'ADN.
Rôles
Ensemble, l’ADN et l’ARN jouent un rôle fondamental : ils stockent, entretiennent et traduisent l’information génétique. Ils assurent le maintien du génotype et du phénotype en synthétisant des protéines grâce aux gènes.
Rôle de l'ADN
L’ADN constitue l’information génétique et détermine l'identité biologique de l’organisme (plante, grenouille ou humain). La préservation de cette information génétique se fait grâce à une duplication des molécules d'ADN avant la mitose (création de deux cellules filles identiques).
Rôle de l'ARN
L’ARN possède de nombreux rôles. En fait, il existe plusieurs types différents d’ARN et chacun d’entre eux joue un rôle spécifique.
- L’ARN messager (ARNm) : est le produit de la maturation de l'ARN pré-messager (ARNpm), qui lui est le produit de la transcription opérée sur l’ADN. La maturation des ARNpm consiste en différentes modifications de la séquence telles que l'édition ou l'épissage. L'épissage de l'ARNpm consiste à enlever les introns et à relier les exons les uns à la suite des autres. Cette chaîne d'exons constitue alors l'ARN messager « produit final ». Contrairement à l'ARN prémessager, l'ARN messager quitte le noyau et est ultimement traduit en peptide dans le cytosol ou encore dans le réticulum endoplasmique. L'ARNm est le « plan de construction » d’une protéine. Il n'y a pas d'épissage chez les Procaryotes où l'ARN produit par la transcription est directement l'ARNm (en effet ces organismes ne possèdent pas de noyau et les ribosomes se fixent sur la molécule d'ARN pendant qu'elle est synthétisée). Dans le cas des eucaryotes L'ARN prémessager nucléaire peut aussi être appelé ARN nucléaire hétérogène (ARNnh) car il se retrouve strictement dans le noyau et est composé d'introns et d'exons.
- L’ARN de transfert (ARNt) : est impliqué lors de la traduction de l’ARN messager en peptide. Il est chargé d’apporter les bons acides aminés en décryptant le langage que constituent les codons et à les traduire en séquence d'acides aminés. Un codon est constitué de trois nucléotides adjacents. Un codon correspond à un seul acide aminé, mais un même acide aminé peut être spécifié par différents codons.
- Voir code génétique pour savoir quels acides aminés sont associés à quels codons.
- L’ARN ribosomique (ARNr) : constitue le ribosome après maturation et association à des protéines. Les ribosomes sont des usines de fabrication de protéines. Le ribosome s’associe à l’ARN messager et « lit » les codons qui s'y retrouvent. Il gère ensuite l’entrée et la sortie des ARN de transfert qui transportent les acides aminés. S’ensuit la naissance d’un peptide qui sera éventuellement, après plusieurs étapes de maturation et d’assemblage, transformé en protéine.
- Les microARN (miARN) : découverts en 1993 par Victor Ambros chez le ver Caenorhabditis elegans. Ils possèdent une structure simple brin et sont longs de 19 à 25 nucléotides. Ils jouent un rôle dans le métabolisme cellulaire en empêchant la traduction de certains ARN messager en peptides. En se liant à des ARN messagers dont ils sont partiellement complémentaires, les microARN entraînent le blocage de la traduction de l'ARNm par les ribosomes.
Les miARN peuvent réguler l'expression de plusieurs gènes (peut-être une centaine pour certains d'entre eux).
- Les silencingRNA (siRNA) sont des petits ARN de 21-22 nucléotides parfaitement complémentaires à leurs ARNm cibles. Contrairement aux miRNA, les siRNA ne sont pas codés par le génome de la cellule hôte mais plutôt apportés par un éventuel envahisseur tel que les virus. De plus, ils possèdent une structure en double brin, et leur action consiste à dégrader les ARNm. Elle s'effectue en collaboration avec des protéines appelées RISC (RNA Induced Silencing Complex). Ces dernières se fixent sur le brin antisens (complémentaire au brin codant) du siARN, le brin sens est abandonné, et le complexe (RISC + ARN simple brin antisens) ainsi formé peut reconnaître le fragment d'ARNm correspondant et le détruire, empêchant ainsi l'expression du gène associé.
Les siARN sont plus spécifiques que les miARN : ils sont conçus pour reconnaître un seul gène.
Ces ARN courts sont devenus un outil très utilisé en biologie moléculaire pour éteindre un à un les gènes dont on souhaite déterminer le rôle métabolique. Leur spécificité d'action fait des siARN une voie très étudiée dans la lutte contre le cancer et les maladies virales.
- snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolus RNA), scaRNA (small cajal bodies RNA): ce sont de courtes chaînes de ribonucléotides (qui se retrouve exclusivement dans le noyau et plus précisément dans des compartiments du noyau comme le nucléole pr les snoRNA et les corps de Cajal pour les scaRNA. Ces ARN non codants s'associent à des protéines pour former des complexes nommés petites ribonucléoprotéines nucléaires (RNPpn)("small nuclear ribonucleoproteins" RNPsn), essentiels lors du processus d'épissage des ARN prémessagers et lors du processus de maturation des ARNr et ARNtm
Les acides nucléiques dans les virus
Dans les cellules eucaryotes et procaryotes, l’ADN et l’ARN sont présents. Toutefois, chez les virus, il n’y a qu’un seul acide nucléique présent. Ce peut être soit l’ADN ou l’ARN, mais jamais les deux en même temps. On peut y retrouver de l’ADN à simple ou à double chaîne ou encore de l’ARN à simple ou à double chaîne.
L'on sépare les virus en plusieurs classes, selon la forme sous laquelle est présenté le matériel génétique du virus. Ainsi le VIH, le virus transmettant le SIDA, est un rétrovirus, ou virus à ARN car son matériel génétique est présenté sous forme d'ARN à l'intérieur de sa capside. De manière générale, il n'y a pas de nom particulier pour les virus à ADN.
Voir aussi
Articles connexes
Bibliographie
- Donald Voet et Judith G. Voet, Biochimie, De Boeck Université, Paris, 1998.
- Elaine N. Marieb, Anatomie et physiologie humaine, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 1999.
- Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke et Christine L. Case, Introduction à la microbiologie, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 2003.
- Neil A. Campbell, Biologie, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 1995.
- Wayne M Becker, Lewis J. Kleinsmith et Jeff Hardin, The World of the Cell 5th edition, Benjammin Cummings, San Francisco, 2003.
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