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Fiche explicative de la leçon : L'ADN Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure de l’ADN et à expliquer comment extraire l’ADN de la matière organique.

L’ADN est une molécule extrêmement importante. Il contient les informations qui font de nous la personne que nous sommes!L’ensemble de l’ADN de votre organisme et des informations qu’il code est appelé votre génome. Votre génome sera une combinaison de l’ADN de votre mère biologique et de celui de votre père biologique, et ce matériel génétique vous sera transmis par un processus appelé hérédité.

Fait: GFP et transgénèse

La protéine fluorescente verte (en anglais GFP pour « green fluorescent protein ») est une protéine qui produit une couleur verte vive lorsqu’elle est exposée à la lumière. Elle est généralement extraite des méduses et est couramment utilisée dans les expériences à base d’ADN.

Par exemple, les scientifiques peuvent insérer le gène qui code pour la protéine fluorescente verte (GFP) dans l’ADN d’une souris. La souris pourra alors être fluorescente!Si cette souris se reproduit, sa progéniture peut hériter de ce gène et exprimer également la protéine fluorescente verte!

Le processus de transfert de ces gènes entre organismes est appelé transgénèse, et la capacité de la progéniture à présenter cette caractéristique montre comment l’ADN est transmis du parent à la progéniture.

Maintenant que nous savons que l’ADN est le support de l’hérédité des organismes vivants, nous allons en apprendre davantage sur la structure de l’ADN.

Pour visualiser à quoi ressemble une molécule d’ADN, imaginez d’abord une échelle. L’échelle a deux longs côtés parallèles, avec des barreaux à intervalles réguliers. Maintenant, imaginez que cette échelle se vrille, comme le montre la figure 1. C’est la forme d’une molécule d’ADN:deux brins enroulés l’un autour de l’autre. Cette forme est appelée une double hélice.

Terme clé : Double hélice

Une double hélice est une forme d’échelle torsadée, qui correspond à la forme d’une molécule d’ADN.

Figure 1 : Schéma illustrant la forme d’échelle torsadée d’une molécule ADN.

Une molécule d’ADN est composée de plusieurs unités répétitives. Puisqu’il s’agit d’une molécule avec de nombreuses unités semblables répétées, l’ADN est appelé un polymère et les unités individuelles des monomères. Les monomères de l’ADN sont connus sous le nom de nucléotides. La figure 2 montre l’emplacement d’un nucléotide individuel dans un brin d’ADN.

Figure 2 : Schéma illustrant la position d’un nucléotide individuel sur un brin ADN.

Terme clé : Nucléotide

Un nucléotide est la sous-unité d’une molécule d’ADN. Les nucléotides sont constitués d’un sucre pentose, d’un groupe phosphate et d’une base azotée.

Exemple 1: Expliquer pourquoi l’ADN est considéré comme un polymère

Laquelle des affirmations suivantes explique le mieux pourquoi l’ADN peut être décrit comme un polymère?

  1. L’ADN se forme de nombreuses unités semblables (nucléotides) reliées en une chaîne.
  2. L’ADN se forme de nombreuses unités différentes (nucléotides) reliées en une chaîne.
  3. L’ADN se forme de quelques unités répétitives.
  4. L’ADN se forme de nombreuses unités non connectées.
  5. L’ADN forme une double hélice.

Réponse

L’ADN est une molécule extrêmement importante. L’ADN contient notre « code de la vie », et il fait de nous la personne que nous sommes!

Une molécule d’ADN type est constituée de deux brins qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une double hélice distincte. Chaque brin est composé de plusieurs unités répétées, que l’on appelle des nucléotides. Ces nucléotides se lient ensemble pour former ces brins.

Mais pour comprendre pourquoi l’ADN est décrit comme un polymère, nous devons savoir ce qu’est un polymère. Un polymère est une molécule composée de nombreuses sous-unités similaires. Ces sous-unités (également appelées monomères) se répètent généralement sur toute la longueur du polymère.

Grâce à ces informations, nous savons maintenant que l’ADN est un polymère composé de nombreux monomères répétés appelés nucléotides.

Donc, notre bonne réponse doit être A:nous décrivons l’ADN comme un polymère car l’ADN se forme de nombreuses unités similaires (nucléotides) reliées en une chaîne.

Chaque nucléotide comprend trois composants:une molécule de sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée, comme le montre la figure 3.

Figure 3 : Schéma illustrant la structure de base d’un nucléotide.

Le sucre pentose est le nom donné à une molécule de sucre composée de cinq atomes de carbone. Chacun de ces atomes de carbone dans un sucre pentose est numéroté, et nous les écrivons 1, 2, 3, 4 et 5, ce qui est illustré dans la figure 4 ci-dessous. Dans l’ADN, le sucre pentose est appelé désoxyribose.

Figure 4 : Schéma illustrant la façon dont sont numérotés de 1 à 5 les atomes de carbone dans un sucre désoxyribose.

Terme clé : Sucre pentose

Un sucre pentose est une molécule de sucre qui contient cinq atomes de carbone. Le sucre pentose dans l’ADN est le sucre désoxyribose.

Il y a quatre bases azotées différentes dans l’ADN:l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). L’adénine et la guanine sont appelées purines, et ont des structures à deux cycles. La thymine et la cytosine, en revanche, ont des structures à un seul cycle et sont appelées pyrimidines.

Le dernier composant d’un nucléotide est le groupe phosphate. Dans la molécule du sucre pentose, chaque atome de carbone 5 est lié de manière covalente à un groupe phosphate.

Entre chaque nucléotide voisin se trouve une liaison appelée liaison phosphodiester. Ces liaisons phosphodiester permettent de créer un brin de nucléotides d’ADN.

Définition : Liaison phosphodiester

Une liaison phosphodiester est la liaison chimique qui se forme entre un groupe phosphate et deux molécules de sucre.

Exemple 2: Décrire la structure d’un nucléotide

Lequel des énoncés suivants décrit le mieux la structure d’un nucléotide?

  1. Un nucléotide est une petite unité composée d’un sucre glucose, d’un groupe phosphate et d’une paire de bases.
  2. Un nucléotide est une grande sous-unité constituée d’un groupe sucre-phosphate.
  3. Un nucléotide est une petite unité constituée des quatre bases reliées en paires par des liaisons hydrogène.
  4. Un nucléotide est une petite unité qui se relie à d’autres nucléotides pour former une longue chaîne.
  5. Un nucléotide est une petite unité constituée d’un sucre désoxyribose, d’un groupe phosphate et d’une base (soit A, T, G ou C).

Réponse

L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est un polymère biologique présent dans toutes les cellules corporelles!Il constitue notre matériel génétique et code toutes nos informations génétiques. Puisque c’est un polymère, l’ADN est constitué de nombreux monomères qui se répètent, que l’on appelle des nucléotides.

Un nucléotide est fait de trois composants principaux:un sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée. La structure d’un seul nucléotide est illustrée dans le schéma ci-dessous.

Vous pouvez voir dans le schéma que le sucre pentose (plus spécifiquement appelé désoxyribose dans l’ADN) forme des liaisons avec le groupe phosphate et la base azotée.

Il peut y avoir une des quatre bases azotées dans un nucléotide:l’adénine (A), la cytosine (C), la thymine (T) ou la guanine (G).

D’après ces informations et le schéma fourni, nous pouvons conclure que notre réponse correcte est E:un nucléotide est une petite unité constituée d’un sucre désoxyribose, d’un groupe phosphate et d’une base (A, T, G ou C).

Une molécule ADN est une double hélice, ce qui signifie qu’elle a deux chaînes enroulées l’une autour de l’autre. Comment un brin d’ADN se connecte-t-il à l’autre pour créer cette forme?

Ce sont les bases azotées, dont nous avons parlées plus tôt, qui en sont responsables. Chaque base azotée d’un brin d’ADN se lie à une base azotée du brin opposé. C’est ainsi que se forment les « barreaux » de notre échelle enroulée!

Les bases azotées se lient d’une certaine manière. Dans l’ADN, l’adénine ne peut se lier qu’à la thymine sur le brin opposé, et la guanine ne peut se lier qu’à la cytosine. Cette règle s’appelle l’appariement des bases complémentaires et constitue l’une des caractéristiques de l’ADN. L’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, tandis que la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène, comme le montre la figure 5.

Terme clé : Appariement des bases complémentaires

Les bases de l’ADN s’apparient selon des règles spécifiques, où l’adénine (A) se lie à la thymine (T), tandis que la guanine (G) se lie à la cytosine (C). Dans l’ARN, l’uracile (U) est substituée à la thymine (T).

Figure 5 : Schéma illustrant les liaisons hydrogène qui se forment entre les bases azotées. L’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, alors que la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

Puisque l’adénine d’un brin ne peut se lier qu’à la thymine, le nombre de bases adénine est donc égal au nombre de bases thymine dans une molécule d’ADN double brin. De même, puisque la guanine ne peut se lier qu’à la cytosine, le nombre de bases guanine doit donc être égal au nombre de bases cytosine. Par exemple, si une molécule d’ADN possède 20 bases adénine, elle aura aussi 20 bases thymine. C’est ce qu’on appelle les règles de Chargaff, qui servent à calculer les pourcentages de certaines bases dans une molécule d’ADN.

Comment : Utiliser les règles de Chargaff pour calculer la composition en pourcentage

Lorsque deux brins d’ADN se lient l’un à l’autre, des liaisons hydrogène se forment entre leurs bases azotées. Dans l’ADN, l’adénine s’associe toujours à la thymine sur le brin opposé, et la guanine s’associe toujours à la cytosine sur le brin opposé. C’est ce qu’on appelle l’appariement des bases complémentaires. Ceci est illustré dans le schéma ci-dessous.

En raison de l’appariement des bases complémentaires, le nombre de bases adénine dans une molécule d’ADN est toujours égal au nombre de bases thymine. De même, le nombre de bases guanine doit toujours être égal au nombre de bases cytosine. C’est ce qu’on appelle la règle de Chargaff.

En utilisant les règles de Chargaff, nous pouvons calculer le pourcentage des différentes bases contenues dans une molécule d’ADN. Voyons comment faire.

Appelons le nombre total de bases Btotal et le nombre de bases pour chaque type de nucléotide BA, BT, BC et BG pour les bases respectives adénine, thymine, cytosine et guanine.

D’après la règle de Chargaff, nous savons que BBetBBATCG==.

Donc, BBBBBtotalATCG=+++.

Appliquons ces connaissances avec un exemple.

Sur le schéma ci-dessus, le segment élargi possède 12 paires de bases.

Puisqu’il y a 12 paires, il y a 24 bases au total.

Par conséquent, Btotal=24.

Supposons que 4 de ces bases sont la cytosine, alors BC=4.

Puisque BC= BG, alors BG=4.

Ensuite, nous pouvons déterminer le nombre de bases restantes après avoir soustrait celles qui sont la cytosine et la guanine:BBBBBtotalATCG=+++ ou 24=++4+424=++8248=++8816=+.BBBBBBBBATATATAT

Cet ensemble de calculs nous indique que le nombre de bases restantes après avoir exclu celles de la cytosine et de la guanine est de 16.

Puisque selon la règle de Chargaff, BBAT=, on peut conclure que la moitié des 16 bases restantes sont l’adénine et l’autre moitié sont la thymine:16=+=+=216=2162=228=.BBBBBBBBATAAAAAA

Et, comme BA = BT, alors BT=8.

Nous pouvons vérifier ces valeurs en les comparant à ce que nous voyons dans la figure. Comptons le nombre de A, T, C et G pour vérifier notre travail.

Pour calculer le pourcentage, on divise le nombre d’une base donnée par le nombre total de bases, et on multiplie le résultat par 100%:%=×100%.BBBAATOTAL

Si nous effectuons ce calcul pour chacune des bases, nous obtenons le tableau ci-dessous:

BaseNombrePourcentage
Adénine833,3%
Thymine833,3%
Cytosine416,7%
Guanine416,7%

Il se peut que l’on nous donne une séquence de nucléotides sur un seul brin d’ADN et que l’on nous demande de déterminer la séquence complémentaire. Alors, comment pourrions-nous procéder?

Il est important de noter que lorsque nous étudions une séquence de bases ADN, nous la lisons dans une certaine direction. Le sens de lecture de l’ADN va de l’extrémité 5 vers l’extrémité 3. Vous pouvez le voir dans la figure 6 ci-dessous.

Figure 6 : Schéma illustrant un brin ADN dont une séquence des bases azotées allant de 5’ vers 3’ est donnée.

Une des caractéristiques de l’ADN est que les deux brins de l’ADN sont antiparallèles l’un à l’autre, ce qui signifie qu’ils vont dans des directions opposées. Les informations sur le brin qui nous a été donné vont dans le sens 5- 3. Cela signifie que l’autre brin doit aller de 3 vers 5.

Terme clé : Antiparallèle

Dans l’ADN, les deux brins sont considérés comme antiparallèles car ils sont parallèles, mais dans des directions opposées.

Maintenant, réfléchissons à la séquence des bases sur le brin complémentaire. Une autre caractéristique déterminante de l’ADN est l’appariement des bases complémentaires:l’adénine s’apparie avec la thymine et la guanine s’apparie avec la cytosine. Grâce à ces informations, nous pouvons compléter la séquence des bases sur le brin complémentaire pour déterminer la séquence complémentaire, comme le montre la figure 7.

Figure 7 : Schéma illustrant une séquence ADN des bases azotées du brin supérieur allant de 5’ vers 3’, et la séquence complémentaire antiparrallèle du brin inférieur allant de 3’ vers 5’.

Le brin opposé de l’ADN porte donc une version complémentaire du code porté par le premier brin. Cela signifie essentiellement qu’une molécule ADN porte deux copies de la même information!

Exemple 3: Déterminer une séquence complémentaire de bases

Un segment d’ADN contient des bases dans l’ordre ATGCTTAA. Quelle est la séquence complémentaire des bases?

Réponse

Dans nos cellules, l’ADN prend la forme d’une double hélice. Ce terme décrit la manière dont deux brins complémentaires d’ADN s’associent et s’enroulent l’un autour de l’autre. Mais que signifie vraiment complémentaire?

L’appariement des bases complémentaires dans l’ADN se réfère à des règles spécifiques qui permettent à certaines bases de former des liaisons avec certaines bases mais pas avec d’autres. Dans l’ADN, la base adénine peut former des liaisons hydrogène avec la thymine. La base cytosine peut former des liaisons hydrogène avec la guanine. Ce sont les seules paires possibles dans l’ADN;par exemple, il est impossible pour l’adénine de se lier à la guanine.

Si nous voulons déterminer une séquence complémentaire de bases, nous devons utiliser ces règles pour savoir quelles bases se lieraient à celles fournies sur le brin complémentaire de l’ADN.

Ainsi, on remplace chaque A par T. On remplace chaque T par A. On remplace chaque C par G. On remplace chaque G par C.

Faisons-le pour la séquence donnée dans la question.

ATGCTTAA devient alors TACGAATT.

Ainsi, la séquence complémentaire des bases sera TACGAATT.

Maintenant que nous avons vu la structure de l’ADN, vous vous demandez peut-être comment cette molécule complexe stocke des informations génétiques!Les bases azotées dont nous avons parlées jouent un rôle crucial ici.

L’information dont une cellule a besoin pour remplir ses fonctions est codée dans un brin d’ADN. Dans un segment d’ADN, la séquence des bases azotées peut être « lue » de l’extrémité 5 du brin vers l’extrémité 3. L’ordre des bases forme un code génétique qu’une cellule peut interpréter.

La cellule prend une séquence de bases d’ADN (appelée un gène) et convertit ce code en une protéine spécifique. Cette protéine va remplir une fonction spécifique. Par exemple, une séquence de bases azotées dans l’ADN pourrait former le code pour une protéine qui contrôle la couleur de vos yeux ou le type de cheveux (bouclés ou raides)!

Définition: Gène

Un gène est un segment d’ADN qui contient les informations nécessaires à la production d’une unité fonctionnelle (par exemple, une protéine). C’est l’unité fonctionnelle de l’hérédité.

Nous en avons beaucoup appris sur l’ADN, mais saviez-vous que vous pouvez extraire l’ADN et le voir de vos propres yeux grâce à un équipement de laboratoire simple?

Comment : Extraire l’ADN à partir d’une matière organique

Ici, nous utiliserons un échantillon de fruit ou de légume (par exemple, des fraises ou des pois) pour apprendre à extraire et à visualiser l’ADN:

  1. Prélever un échantillon de petits pois surgelés, les décongeler et les broyer à l’aide d’un pilon et d’un mortier.
  2. Mélanger 10 cm3 de liquide vaisselle avec 100 cm3 d’eau. Ajouter une demi-cuillère à café de sel. C’est votre tampon d’extraction!
  3. Mélanger les petits pois broyés avec votre tampon d’extraction dans un grand bécher. Remuer pendant 1 minute, et si possible, le laisser 10 minutes dans un bain-marie.
  4. Placer un morceau de papier filtre au dessus d’un autre bécher.
  5. Filtrer le mélange dans le deuxième bécher à travers le papier filtre.
  6. Verser délicatement 10 cm3 du filtrat (le liquide qui vient d’être collecté) dans un tube à essai.
  7. Incliner le tube à essai et ajouter avec précaution une quantité égale d’éthanol froid.
  8. Incuber pendant 5 minutes.
  9. Vous devriez voir un précipité blanc;il s’agit de l’ADN!

Résumons ce que nous avons appris sur l’ADN.

Points clés

  • L’ADN est un polymère, composé de monomères appelés nucléotides.
  • Les nucléotides sont constitués d’un sucre désoxyribose, d’un groupe phosphate et d’une base azotée.
  • L’ADN forme une double hélice, maintenue par des paires de bases complémentaires (A à T, C à G).
  • L’ADN est lu dans le sens 53, et une séquence spécifique de bases ADN qui produit une unité fonctionnelle est connue sous le nom de gène.
  • L’ADN peut être extrait à partir d’une matière organique, telle que des fruits ou des légumes, en utilisant un tampon d’extraction et de l’éthanol.

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