Contenu
- La découverte de l'ADN
- ADN et traits héréditaires
- La structure de l'ADN
- Nucléotides et bases azotées
- Réplication de l'ADN
L'ADN est l'une des rares combinaisons de lettres au cœur d'une discipline scientifique qui semble susciter un niveau de compréhension important, même chez les personnes peu exposées à la biologie ou aux sciences en général. La plupart des adultes qui entendent l'expression "c'est dans son ADN" reconnaissent immédiatement qu'un trait particulier est indissociable de la personne décrite; que cette caractéristique est en quelque sorte innée, ne disparaît jamais et est susceptible d'être transférée à cette personne, aux enfants et au-delà. Cela semble être vrai même dans l'esprit de ceux qui n'ont aucune idée de ce que signifie "ADN", qui est "l'acide désoxyribonucléique".
Les humains sont naturellement fascinés par le concept d'héritage des traits de leurs parents et de transmission de leurs propres traits à leur progéniture. Il est naturel que les gens réfléchissent à leur propre héritage biochimique, même si peu de gens peuvent l’imaginer de la sorte. Reconnaître que de minuscules facteurs invisibles en chacun de nous régissent l'apparence et même le comportement des enfants, est certainement présent depuis des centaines d'années. Mais ce n’est que jusqu’au milieu du XXe siècle que la science moderne a révélé en détail de manière glorieuse non seulement ce que sont les molécules responsables de l’héritage, mais aussi à quoi elles ressemblent.
L'acide désoxyribonucléique est en effet le bleu génétique que tous les êtres vivants conservent dans leurs cellules, un doigt microscopique unique qui non seulement fait de chaque être humain un individu unique en son genre (des jumeaux identiques exceptés pour les besoins du présent), mais révèle également de nombreux éléments vitaux. des informations sur chaque personne, de la probabilité d'être lié à une autre personne spécifique aux chances de développer une maladie donnée plus tard dans la vie ou de transmettre une telle maladie aux générations futures. L'ADN est devenu non seulement le point central naturel de la biologie moléculaire et de l'ensemble des sciences de la vie, mais également un élément essentiel des sciences médico-légales et du génie biologique.
La découverte de l'ADN
James Watson et Francis Crick (et plus rarement Rosalind Franklin et Maurice Wilkins) sont largement crédités de la découverte de l'ADN en 1953. Cette perception est toutefois erronée. De manière critique, ces chercheurs ont en fait établi que l’ADN existe sous une forme tridimensionnelle sous la forme d’une double hélice, qui est essentiellement une échelle tordue dans des directions différentes aux deux extrémités pour créer une forme en spirale. Mais ces scientifiques déterminés et réputés ne faisaient que "bâtir" sur le travail minutieux de biologistes qui recherchaient les mêmes informations générales dès les années 1860, des expériences tout aussi révolutionnaires que celle de Watson. Crick et d'autres dans l'ère de la recherche après la Seconde Guerre mondiale.
En 1869, 100 ans avant que les humains ne se rendent sur la lune, un chimiste suisse, Friedrich Miescher, cherchait à extraire les composants protéiques des leucocytes (globules blancs) pour en déterminer la composition et la fonction. Ce qu’il a plutôt extrait, il l’a appelé "nucléine" et, même s’il ne disposait pas des instruments nécessaires pour savoir ce que les futurs biochimistes seraient en mesure d’apprendre, il a rapidement compris que cette "nucléine" était liée à des protéines mais n’était pas elle-même une protéine. quantité inhabituelle de phosphore, et que cette substance était résistante à la dégradation par les mêmes facteurs chimiques et physiques que les protéines dégradées.
Ce serait plus de 50 ans avant que la véritable importance du travail de Mieschers devienne évidente. Au cours de la deuxième décennie du XXe siècle, un biochimiste russe, Phoebus Levene, a été le premier à proposer que ce que nous appelons aujourd'hui les nucléotides consiste en une portion sucre, une portion phosphate et une portion base; que le sucre était ribose; et que les différences entre nucléotides étaient dues aux différences entre leurs bases. Son modèle "polynucléotidique" avait quelques défauts, mais selon les standards du jour, il était remarquablement sur la cible.
En 1944, Oswald Avery et ses collègues de l'Université Rockefeller ont été les premiers chercheurs connus à suggérer formellement que l'ADN était constitué d'unités héréditaires, ou gènes. Faisant suite à leurs travaux et à ceux de Levene, le scientifique autrichien Erwin Chargaff a fait deux découvertes clés: la première est que la séquence des nucléotides dans l’ADN varie d’une espèce à l’autre, contrairement à ce que Levene avait proposé; et deuxièmement, que dans n'importe quel organisme, la quantité totale de bases azotées adénine (A) et guanine (G) combinées, quelle que soit l’espèce, était pratiquement toujours identique à la quantité totale de cytosine (C) et de thymine (T). Cela ne conduit pas tout à fait Chargaff à conclure que A est associé à T et C et à G dans tout l’ADN, mais il a ensuite contribué à étayer la conclusion tirée par d’autres.
Enfin, en 1953, Watson et ses collègues, profitant de l’optimisation rapide des méthodes de visualisation des structures chimiques tridimensionnelles, rassemblèrent toutes ces découvertes et utilisèrent des modèles en carton pour établir qu’une double hélice correspondait à tout ce qui était connu de l’ADN d'autre pourrait.
ADN et traits héréditaires
L'ADN a été identifié comme le matériel héréditaire dans les objets vivants bien avant que sa structure ne soit clarifiée et, comme souvent dans la science expérimentale, cette découverte vitale était en réalité accessoire au but principal du chercheur.
Avant l’émergence de l’antibiothérapie à la fin des années 1930, les maladies infectieuses avaient fait beaucoup plus de victimes qu’aujourd’hui, et la découverte des mystères des organismes responsables était un objectif crucial de la recherche en microbiologie. En 1913, Oswald Avery a commencé à travailler et a révélé une teneur élevée en polysaccharide (sucre) dans des capsules d'espèces bactériennes à pneumocoques isolées chez des patients atteints de pneumonie. Avery a théorisé que ceux-ci stimulaient la production d'anticorps chez les personnes infectées. Pendant ce temps, en Angleterre, William Griffiths effectuait des travaux qui montraient que des composants morts d’un type de pneumocoque causant une maladie pouvaient être mélangés aux composants vivants d’un pneumocoque inoffensif et produire une forme causant la maladie d’un type autrefois inoffensif; cela prouvait que tout ce qui passait de la mort à la bactérie vivante était héréditaire.
Lorsque Avery a appris les résultats de Griffiths, il a entrepris des expériences de purification afin d’isoler le matériel précis héréditaire du pneumocoque et de l’acquérir sur des acides nucléiques, ou plus précisément des nucléotides. On soupçonnait déjà fortement l’ADN d’avoir ce que l’on appelait à l’époque des «principes transformants». Avery et d’autres ont donc testé cette hypothèse en exposant le matériel héréditaire à divers agents. Celles connues pour détruire l'intégrité de l'ADN mais non nocives pour les protéines ou l'ADN, appelées DNAases, étaient suffisantes en quantité suffisante pour empêcher la transmission de caractères d'une génération bactérienne à la suivante. Pendant ce temps, les protéases, qui démêlent les protéines, n’ont pas provoqué de tels dommages.
D'après les travaux d'Averys et de Griffiths, bien que des personnes telles que Watson et Crick aient été louées à juste titre pour leurs contributions à la génétique moléculaire, l'établissement de la structure de l'ADN a en fait été une contribution assez tardive au processus d'apprentissage à ce sujet. molécule spectaculaire.
La structure de l'ADN
Chargaff, bien qu'il n'ait évidemment pas décrit complètement la structure de l'ADN, a toutefois montré qu'en plus de (A + G) = (C + T), les deux brins connus pour être inclus dans l'ADN étaient toujours à la même distance. Cela a conduit au postulat que les purines (y compris A et G) toujours lié à pyrimidines (y compris C et T) dans l'ADN. Cela a un sens tridimensionnel, car les purines sont considérablement plus grandes que les pyrimidines, alors que toutes les purines ont essentiellement la même taille et que toutes les pyrimidines ont essentiellement la même taille. Cela implique que deux purines liées occuperaient beaucoup plus d'espace entre les brins d'ADN que deux pyrimidines, et que tout appariement purine-pyrimidine utiliserait le même espace. Pour mettre toute cette information, il fallait que A se lie à T uniquement et que la même relation soit vérifiée pour C et G si ce modèle devait réussir. Et ça a.
Les bases (plus sur celles-ci plus tard) se lient les unes aux autres à l'intérieur de la molécule d'ADN, comme des barreaux dans une échelle. Mais qu'en est-il des brins, ou "côtés", eux-mêmes? Rosalind Franklin, en collaboration avec Watson et Crick, a supposé que cette "colonne vertébrale" était constituée de sucre (en particulier d'un sucre pentose ou d'une structure cyclique à cinq atomes) et d'un groupe phosphate reliant les sucres. En raison de l'idée nouvellement clarifiée de l'appariement des bases, Franklin et les autres ont compris que les deux brins d'ADN d'une même molécule étaient "complémentaires" ou en fait des images inversées l'une de l'autre au niveau de leurs nucléotides. Cela leur a permis de prédire le rayon approximatif de la forme torsadée de l'ADN avec un degré de précision élevé, et une analyse par diffraction des rayons X a confirmé la structure hélicoïdale. L’idée que l’hélice était une double hélice était le dernier détail important concernant la structure de l’ADN à se mettre en place, en 1953.
Nucléotides et bases azotées
Les nucléotides sont les sous-unités répétitives de l'ADN, ce qui revient à dire que l'ADN est un polymère de nucléotides. Chaque nucléotide consiste en un sucre appelé désoxyribose qui contient une structure cyclique pentagonale avec une molécule d'oxygène et quatre molécules de carbone. Ce sucre est lié à un groupe phosphate et, à deux endroits de l'anneau, il est également lié à une base azotée. Les groupes phosphate relient les sucres pour former le squelette de l'ADN, dont les deux brins se tordent autour des bases lourdes en azote liées au milieu de la double hélice. L'hélice effectue une rotation complète à 360 degrés environ une fois toutes les 10 paires de bases.
Un sucre lié uniquement à une base azotée est appelé un nucléoside.
L'ARN (acide ribonucléique) diffère de l'ADN de trois manières: premièrement, la pyrimidine uracile remplace la thymine. Deuxièmement, le sucre pentose est du ribose plutôt que du désoxyribose. Et troisièmement, l’ARN est presque toujours simple brin et se présente sous de multiples formes, dont la discussion dépasse le cadre de cet article.
Réplication de l'ADN
L'ADN est "décompressé" en deux volets complémentaires lorsque vient le temps de faire des copies. Au fur et à mesure que cela se produit, les fils de la fille se forment le long des fils de la mère. Un tel brin fille se forme en continu via l’addition de nucléotides simples, sous l’action de l’enzyme ADN polymérase. Cette synthèse suit simplement la direction de la séparation des brins d'ADN parent. L’autre fils fille se forme à partir de petits polynucléotides appelés Fragments d'Okazaki qui se forment réellement dans le sens opposé à celui de la décompression des brins parents, puis sont réunis par l’enzyme ADN ligase.
Comme les deux brins filles sont également complémentaires, leurs bases se lient finalement pour former une molécule d’ADN double brin identique à celle de la mère.
Dans les bactéries, qui sont unicellulaires et appelées procaryotes, une seule copie de l'ADN de la bactérie (également appelée son génome) se trouve dans le cytoplasme; aucun noyau n'est présent. Dans les organismes eucaryotes multicellulaires, l’ADN se trouve dans le noyau sous forme de chromosomes, molécules d’ADN fortement enroulées, bobinées et condensées dans l’espace, d’un millionième de mètre de long, et de protéines histones. À l'examen microscopique, les parties du chromosome qui présentent une alternance de "bobines" d'histones et de simples brins d'ADN (appelée chromatine à ce niveau d'organisation) sont souvent comparées à des perles sur une chaîne. De l’ADN eucaryote se trouve également dans les organites de cellules appelées mitochondries.