Acide désoxyribonucléique

La température de fusion (ou dénaturation) Tm (melting temperature) des acides nucléiques comme l'ADN est la température pour laquelle 50% des molécules d'ADN sont désappariées ou dénaturées (i. e. sous forme simple brin). Cette propriété est visible par lecture de l'absorption optique de la solution contenant l'ADN à 260 nm : la densité optique augmente au cours du désappariement (phénomène d'hyperchromicité). L'énergie thermique apportée devient alors suffisante pour rompre les liaisons H interbrins. Cette température dépend par conséquent de la quantité de liaisons hydrogènes présentes. Ce sont en premier lieu les appariements A-T qui se séparent les premiers au cours de la montée de la température car ils ne possèdent que deux liaisons hydrogènes contrairement aux appariements G-C qui en possèdent trois. Ainsi, lors d'une élévation progressive de la température, il se forme des yeux d'ouvertures dans l'ADN. Plusieurs formules empiriques permettent de calculer la valeur de la température de fusion. Elles tiennent compte du pourcentage de base (G+C), de la salinité du milieu mais aussi de divers facteurs correctifs, tels que la présence de structures secondaires intra ou extra moléculaires (repliement de l'ADN sur lui-même, formation d'appariements entre deux brins). La connaissance de la température de fusion est un élément important au laboratoire quand il s'agit de faire de la PCR (Réaction en chaîne par polymérase) , par exemple.

Un lien hydrogène est une mise en commun d'un proton entre un accepteur et un donneur. Plus il y a de liaisons hydrogènes dans une molécule d'ADN, plus l'énergie de liaison est élevée et plus sa température de fusion sera élevée.

Ainsi une molécule d'ADN double brin composée seulement d'appariements de C (de G) avec des G (des C) (3 liens H) nécessitera plus d'énergie pour être dénaturée sous la forme de molécules simple-brins, qu'un ADN de même taille composé d'appariements de A (de T) avec des T (des A) (2 liens H). Ceci explique pourquoi la température de fusion de l'ADN fluctue selon deux facteurs principaux :

• sa taille (exprimée en nombre de bases, le plus souvent en kilobase kb ou mégabase Mb …)
• son rapport (A+T) / (C+G) , nommé relation de Chargaff, donnant un indice des proportions de paires A-T versus C-G.

Réplication de l'ADN

Division de l'ADN

Les expériences de Meselson et Stahl ont démontré que la réplication de l'ADN est de type semi-conservatif. À chaque interphase, la molécule d'ADN double-brin (à ce stade on lui donne le nom de chromatine) est dupliquée en deux molécules d'ADN double brin filles dont chacune hérite un brin de la molécule d'ADN d'origine ou «mère» et d'un brin néo-synthétisé à partir de nucléotides libres.
Lors de la réplication, les paires de bases sont dans un premier temps désappariées par la rupture des liaisons hydrogènes de l'ADN par une enzyme nommée ADN hélicase. Une fourche de réplication va alors se former donnant 2 brins d'ADN simple-brin différents. Chacun de ces brins va être copié par l'action des ADN polymérases, pour former 2 nouvelles molécules d'ADN double brins semblables à la molécule d'origine.

Transcription

Article détaillé :.

Même, si pour les procaryotes et les eucaryotes, l'ADN ne se trouve pas sous la même forme, il renferme dans les 2 cas l'information génétique, c'est-à-dire que des zones de l'ADN nommé “gènes” codent les protéines. Mais, comment une séquence d'acides nucléiques peut-elle coder une séquence d'acides aminés ? En réalité, quand la cellule aura besoin de protéines (par exemple, des protéines de structure lors de sa division, ou des enzymes pour fabriquer les molécules dont elle a besoin pour fonctionner), elle va transcrire, c'est-à-dire recopier une partie de ses gènes (c'est-à-dire les gènes codant les protéines d'intérêt) sous forme d'ARN grâce à une enzyme appelée “ARN polymérase ADN dépendante de type II”. Cette enzyme va produire un ARN messager (ARNm) semblable à la séquence d'ADN (par exemple : AUGUCUUUAUGU…UAG) du gène. L'existence de l'ARNm a été démontrée par Jacques Monod et ses collaborateurs, ce qui lui valut le prix Nobel de Médecine en 1965. À l'inverse de l'ADN, l'ARNm n'est pas sous forme de double hélice et il adopte des structures secondaires complexes. Il est moins stable que l'ADN, c'est-à-dire qu'il est dégradé plus aisément, de par la présence d'un ribose à la place d'un désoxyribose. Le ribose est particulièrement sensible à l'hydrolyse alcaline alors que le désoxyribose y est complètement insensible.

Cet ARNm sera traduit en protéine au niveau des ribosomes du réticulum endoplasmique. Ces ribosomes vont décoder l'ARNm, c'est-à-dire le code AUG UCU CUU … pour assembler les acides aminés correspondants et faire une protéine. Le ribosome est un complexe multiprotéique comprenant des ARN ribosomiaux (non codants). Chez les eucaryotes, les ARNm sont en premier lieu maturés avant d'être traduits, grâce à des ARNsn (snRNA en anglais, petits ARN nucléaires) … La transcription est un processus complexe et l'élucidation de ses mécanismes fut l'une des grandes avancées de la biologie de la seconde moitié du XX^e siècle. C'est un processus hautement régulé, surtout grâce à des protéines nommées facteurs de transcription qui, en réponse à des hormones par exemple, vont permettre la transcription de gènes cibles (par exemple les gènes exprimés lorsque la cellule reçoit des œstrogènes, ou de la progestérone, des hormones dites sexuelles). Une dérégulation des mécanismes de contrôle et la machinerie s'emballe, les ARN sont transcrits de manière désordonnée, les protéines sont présentes en excès, entraînant un fonctionnement aberrant des cellules, un fonctionnement cancéreux. En effet, dans la plupart de cancers, la transcription de certains gènes est altérée, ce qui entraîne un dérèglement total de la cellule qui se divise activement et de façon désordonnée.

Différentes formes de l'ADN

Comme expliqué auparavant, deux molécules d'ADN sont appariées via les liaisons hydrogènes entre leurs bases azotées pour former la double-hélice d'ADN (ADN sous forme double-brin). C'est sous cette forme stable que l'ADN est présent dans les organismes vivants. Néenmoins cette double-hélice peut être ouverte pour permettre l'exécution de processus biologiques fondamentaux (tels la réplication ou la transcription) générant ainsi de l'ADN sous forme simple brin. Suivant les conditions du milieu, ces deux formes d'ADN (simple et double brin) peuvent voir leur structure fluctuer. Ces structures sont dans la totalité rares, et leur fonctions biologiques (si elles en ont) mal connues.

Plusieurs types d'ADN double-brin

Selon la composition du milieu extérieur, surtout le pourcentage d'eau lié aux phosphates hydrophiles, la double-hélice d'ADN peut adopter trois structures :

• 95% d'eau : type B
• 70% d'eau : type A
• 50% d'eau : type Z

Ces structures existent aussi in-vivo :

• ADN-B : forme d'ADN la plus commune. Elle a une hélice à pas dextrogyre, des plateaux de base perpendiculaires à l'axe de l'hélice passant au centre de l'appariement de ces dernières. Elle possède 10, 5 paires de bases par tour (soit 21 nucléotides) soit une rotation de 36° entre chaque sucre (ou 34A). Les sucres sont en position anti (noyau des bases hors des sucres), endo et radiale comparé aux bases. L'espace vertical entre chaque paire de base est de 0, 34 nm.

• ADN-A : forme d'ADN spécifique à la transcription. En effet l'ARN étant de type A, lors de la transcription, l'ARN stimule un transfert de l'ADN du type B vers A. À la fin de la transcription, quand l'ARN s'est détaché, l'ADN reprend sa conformation B.

Le type A est caractérisé par des plateaux de base particulièrement incliné, une position tangentielle des sucres (mais aussi anti et endo), un axe passant dans le grand sillon et non plus par le milieu d'appariement des bases, et 11 HEF paires de bases par tour soit 32, 7° entre chaque sucre.

• ADN-Z : son rôle est de faciliter l'interaction des bases avec les protéines régulatrices. C'est une hélice à pas lévogyre. Il est caractérisé par des plateaux peu inclinés (9° environ), et une position alternative des sucres en radiale et tangentielle (ainsi qu'une alternance 3'endo syn/5'endo anti). L'axe passe par le petit sillon et présente 12 paires de bases par tour soit 30° entre chaque sucre. Le passage de l'ADN-B en ADN-Z est favorisée par la présence de multiples cytosines au sein des promoteurs.

Autres structures de l'ADN

• Les triplex : structure constituée quand une molécule d'ADN simple brin vient s'apparier dans le grand sillon d'une double hélice d'ADN

• Les G-quadruplexes : Structure secondaire constituée par de l'ADN simple brin quand il est riche en guanine, formant un empilement de plateaux ("quartets") constitués chacun de 4 guanines.

• Les hairpines

L'élasticité de l'ADN

L'ADN est une molécule extensible. Cette propriété a été démontrée par une équipe de chercheurs français de l'Institut Curie à Paris. Pour parvenir à cela, ils ont fixé une des extrémités de la molécule à une fibre optique jouant le rôle de capteur de force et l'autre à une microbille de latex, elle-même tenue au bout d'une micropipette par dépression. Le déplacement de cette dernière, sous le contrôle d'un ordinateur, appliquait à la molécule d'ADN une force variant de 10 à 160 pN (picoNewtons). La force était enregistrée par la fibre optique. C'est sous une tension de 70 pN que la molécule atteignit son étirement maximal, 1, 7 fois sa longueur d'origine. Un tel étirement se produit sous l'effet de la protéine RecA. Lors de la recombinaison somatique, celle-ci déroule partiellement la double hélice d'ADN, facilitant la formation d'un "triplex", molécule à trois brins qui formerait une étape intermédiaire de ce processus. Le rôle de RecA serait par conséquent d'induire cet état transitoire.

Différents types d'enzymes liées à l'ADN

• ADN hélicase : enzyme qui catalyse le déroulement des brins complémentaires d'une double hélice d'ADN.
• ADN ligase : enzyme catalysant la liaison entre deux molécules scindées d'ADN, formant des liaisons phosphodiesters entre l'extrémité 3'-hydroxyl de l'une et l'extrémité 5'-phosphate de l'autre. Son rôle naturel réside dans la réparation et la réplication de l'ADN. C'est un outil essentiel dans la technologie de l'ADN recombinant dans la mesure où elle permet l'incorporation d'ADN étranger dans les vecteurs.
• ADN polymérase : enzyme catalysant la polymérisation (5'vers 3') des monodésoxynucléotides triphosphates qui forment l'ADN. En absence de monodésoxynucléotides triphosphates, elle a un rôle d'exonucléase, supprimant les nucléotides non-appareillées des brins "sticky" (sens 3'vers 5')
• ADN primase : enzyme qui catalyse la synthèse de courtes amorces d'ARN à partir desquelles commence la synthèse des brins d'ADN.
• ADN topo-isomérase ou topoïsomérase (ex. ADN gyrase)  : enzyme qui catalyse l'introduction ou l'enlèvement des surenroulements dans l'ADN.