Fiche explicative de la leçon: Découverte et structure de l’ADN Biologie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure de l’ADN et à décrire les contributions apportées à sa découverte.

Les acides nucléiques sont un type de molécules biochimiques qui portent les informations génétiques. Dans chaque cellule vivante, les acides nucléiques contrôlent les fonctions de la cellule, qui à leur tour contrôlent toutes les caractéristiques de l’organisme : son apparence, sa taille, ses besoins nutritionnels, etc. Lorsque les organismes se reproduisent, les informations contenues dans les acides nucléiques du parent sont transmises à la progéniture.

Il y a deux types d’acides nucléiques : l’ADN, ou acide désoxyribonucléique, et l’ARN, ou acide ribonucléique. Ces molécules se trouvent principalement dans le noyau de chaque cellule vivante. Les organismes vivants stockent généralement leurs informations génétiques dans l’ADN, tandis que les molécules d’ARN aident au transfert et à l’interprétation de ces informations.

Aux 19e et 20e siècles, les scientifiques ont commencé à comprendre la structure et les fonctions de l’ADN. Ces découvertes ont marqué un tournant, car elles constituent la base des innovations dans plusieurs domaines de la science moderne. Aujourd'hui, nous avons une idée précise de ce à quoi ressemble l'ADN et de la façon dont il fonctionne en tant que « base de la vie ».

L’ADN a été découvert pour la première fois en 1869 par Friedrich Miescher, qui a isolé la molécule et a déterminé qu’elle était de nature acide. Au début du 20e siècle, plusieurs groupes de scientifiques ont commencé à mener des recherches pour comprendre les fonctions de l’ADN, et en 1952, il était clairement établi que l’ADN est le support du matériel génétique. Parallèlement à ces études, au début des années 1950, d’autres scientifiques ont proposé un modèle expliquant la structure d’une molécule d’ADN. En 1953, James Watson et Francis Crick ont établi que l’ADN est une hélice double brin. Ils ont pu arriver à cette conclusion en s’appuyant sur les travaux de Rosalind Franklin et de Maurice Wilkins.

Avant d’en savoir plus sur la contribution de ces scientifiques à la découverte de la structure de l’ADN, essayons de la comprendre nous-mêmes ! 

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

Chaque brin de cette double hélice est un polymère, ce qui signifie qu’il est composé de plusieurs unités plus petites et répétées appelées des monomères. Dans les acides nucléiques, le monomère est un nucléotide. Le brin d’ADN est appelé un polynucléotide. La figure 2 montre l’emplacement d’un nucléotide individuel dans un brin d'ADN.

Chaque nucléotide a trois composants : une molécule de pentose sucre, un groupe phosphate et une base azotée. Nous examinerons chacun de ces composants individuellement et apprendrons comment ils se lient entre eux pour former un nucléotide puis une chaîne polynucléotidique.

Un « sucre pentose » est un autre nom pour une molécule de sucre composée de cinq atomes de carbone. Dans l’ADN, le sucre pentose est appelé désoxyribose. Les cinq atomes de carbone ont la forme d’un anneau fermé, comme le montre la figure 3. Chaque atome de carbone dans cet anneau est numéroté, en commençant par le premier atome de carbone (qui se dit « 1 prime »), puis en continuant dans le sens des aiguilles d’une montre depuis l’atome d’oxygène dans l’anneau, et en terminant par (qui se dit « 5 prime »), comme indiqué ci-dessous.

Comme nous l’avons appris, il existe deux types différents d’acides nucléiques : l’ADN et l’ARN. Dans l’ARN, le sucre pentose est appelé ribose. Il n’y a qu’une différence entre la structure du ribose et celle du désoxyribose. Au carbone du ribose, il y a un groupe hydroxyle ( ), absent de la molécule de désoxyribose, comme vous pouvez le voir sur la figure 3.

Dans les acides nucléiques, l’atome de carbone du sucre pentose est lié de manière covalente à une base azotée, comme vous pouvez le voir sur la figure 4. Une molécule de sucre pentose liée à une base azotée est appelée un nucléoside.

Il y a quatre bases azotées différentes dans l’ADN : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Dans l’ARN, la thymine est remplacée par l’uracile (U). L’adénine et la guanine sont appelées des purines, et elles ont des structures à deux anneaux. La thymine, la cytosine et l’uracile, en revanche, ont une structure à un seul anneau et sont appelées pyrimidines. Ces structures sont illustrées à la figure 5.

Le dernier composant d’un nucléotide est le groupe phosphate. Dans la molécule de sucre pentose, chaque atome de carbone est lié de manière covalente à un groupe phosphate, comme le montre la figure 6. Un nucléoside lié à un groupe phosphate forme un nucléotide. Des millions de ces nucléotides se lient ensemble pour former une chaîne polynucléotidique.

Nous savons maintenant à quoi ressemble un seul nucléotide. Mais comment ces unités individuelles sont-elles liées entre elles pour former une chaîne polynucléotidique ? Entre chaque nucléotide adjacent se trouve une liaison appelée liaison phosphodiester. Voyons comment cette liaison se forme.

Rappelez-vous que chaque nucléotide a un groupe phosphate lié au carbone de son sucre pentose. Ce groupe phosphate forme une liaison avec le groupe hydroxyle ( ) de chaque nucléotide voisin, comme le montre la figure 7. Cette liaison est appelée liaison phosphodiester. « Di » signifie « deux », indiquant que deux liaisons esters sont formées ici, puisque le groupe phosphate se lie à une molécule de sucre de chaque côté.

Lorsque ces liaisons lient plusieurs nucléotides ensemble pour former une chaîne polynucléotidique, vous constaterez que la chaîne semble alterner entre une molécule de sucre et un groupe phosphate. Cette partie de la chaîne polynucléotidique est donc appelée le squelette sucre-phosphate.

Exemple 1: Identifier les composants de l’ADN

Un schéma de la structure de l’ADN est donné. Quelle est la partie de cette structure indiquée par X ? 

1. le squelette sucre-phosphate
2. la chaîne triglycéride
3. la sous-unité ribosomique
4. les bases azotées
5. le squelette de sucre ribose

Réponse

L’ADN est la molécule qui porte l’information génétique dans chaque cellule vivante. Une molécule d’ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques constituées d’unités répétitives appelées nucléotides.

Un seul nucléotide est constitué d’un sucre pentose, d’une base azotée et d’un groupe phosphate. Un sucre pentose est une molécule de sucre constituée de cinq atomes de carbone. Dans l’ADN, le sucre pentose est le désoxyribose, et dans l’ARN, le sucre pentose est le ribose. Sur le schéma de la question, vous pouvez voir les sucres désoxyribose représentés par des pentagones gris.

Chaque sucre pentose est relié à une base azotée. Dans l’ADN, il existe quatre types différents de bases azotées : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Sur la figure, les bases azotées sont les structures rose, verte, bleue et orange que vous pouvez voir à l’intérieur de la molécule d’ADN. Un sucre pentose lié à une base azotée est appelé un nucléoside.

Chaque sucre pentose est également attaché à un groupe phosphate, que vous pouvez voir représenté par les cercles jaunes sur la figure ci-dessus. Un nucléoside lié à un groupe phosphate est appelé un nucléotide.

Les nucléotides individuels se lient les uns aux autres pour former de longues chaînes polynucléotidiques grâce à des liaisons phosphodiester. Une liaison phosphodiester se forme entre le groupe phosphate d’un nucléotide et le sucre pentose du nucléotide suivant. C’est ainsi que les nucléotides individuels forment de longues chaînes de chaque côté de la figure.

Maintenant que nous connaissons les composants d’une molécule d’ADN, regardons les options proposées dans la question. Nous pouvons immédiatement en éliminer deux, la sous-unité ribosomique et la chaîne triglycéride, car elles ne font pas partie de la structure de l’ADN. Nous pouvons également éliminer le squelette sucre-ribose, car la structure que nous examinons est l’ADN, et non l’ARN.

Dans la partie marquée X de la figure, il semblerait que la chaîne alterne entre un groupe sucre pentose gris et un groupe phosphate jaune. Ces structures sont appelées des squelettes sucre-phosphate.

La partie annotée X de l’ADN désigne donc le squelette sucre-phosphate.

Jusqu’à présent, nous avons compris comment se forme une seule chaîne polynucléotidique longue et répétée, et nous connaissons les constituants qui la composent. Mais rappelez-vous, l’ADN est une double hélice, ce qui signifie qu’il n’a pas une mais deux chaînes polynucléotidiques torsadées l’une autour de l’autre ! Comment un brin d’ADN se connecte-t-il à l’autre pour réaliser cette forme ? 

Cette forme est générée par les bases azotées que nous avons apprises plus tôt. 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 torsadée ! 

Ces bases azotées se lient d’une manière spéciale. 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 est appelée « appariement des bases complémentaires » et représente 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 8.

Exemple 2: Identifier les liaisons dans la structure de l’ADN

Quel type de liaison se forme entre les paires de bases de l’ADN pour maintenir les deux brins ensemble en une double hélice ? 

1. hydrogène
2. ionique
3. glycosidique
4. phosphodiester
5. covalente

Réponse

Une molécule d’ADN est un polymère composé de sous-unités répétées appelées des nucléotides. Un nucléotide unique possède un sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée.

Ces nucléotides se lient entre eux pour former de longues chaînes polynucléotidiques, comme le montre la figure ci-dessous. Les liaisons qui se forment entre un nucléotide et le suivant pour former cette chaîne linéaire sont appelées liaisons phosphodiester.

Si nous revenons à la question, nous pouvons voir que « les liaisons phosphodiester » est l’une des options. Nous pouvons éliminer cette option, car comme nous le savons maintenant, les liaisons phosphodiester lient un nucléotide au suivant pour former le squelette sucre-phosphate, plutôt que de lier deux brins d’ADN ensemble.

Les bases azotées, représentées ci-dessus en rose, vert, bleu et orange, sont responsables du maintien des deux brins ensemble. Il y a quatre types différents de bases azotées dans l’ADN : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Lorsque deux brins d'ADN se lient l'un à l'autre, ils suivent l’appariement des bases complémentaires : l'adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, et la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

Le type de liaison qui relie deux brins d’ADN est donc une liaison hydrogène.

Exemple 3: Identifier le nombre de liaisons hydrogène entre les bases azotées

Entre quelles bases ADN se forme-t-il 2 liaisons hydrogène ? 

1. C et A
2. C et T
3. A et T
4. C et G
5. G et T

Réponse

Une molécule d’ADN est un polymère composé de sous-unités répétées appelées nucléotides. Un nucléotide a un sucre pentose, un groupe phosphate et une base azotée.

Plusieurs de ces nucléotides se lient ensemble pour former deux longues chaînes polynucléotidiques, comme le montre la figure ci-dessous.

Les bases azotées, représentées ci-dessus en rose, vert, bleu et orange, sont responsables du maintien des deux brins ensemble. Il y a quatre types différents de bases azotées dans l’ADN : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Lorsque deux brins d’ADN se lient l’un à l’autre, ils suivent l’appariement des bases complémentaires : l’adénine ne peut se lier qu’à la thymine, et la guanine ne peut se lier qu’à la cytosine.

L’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, et la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène, comme indiqué sur la figure ci-dessous.

Si nous revenons à notre question et les options proposées, nous pouvons voir que la réponse correcte est que deux liaisons hydrogène se forment entre A et T.

Maintenant que nous connaissons tous les différents constituants de l’ADN et comment ils se lient les uns aux autres, nous pouvons les rassembler pour former la structure complète d’une molécule d’ADN. Cela est illustré à la figure 9.

Rappelez-vous comment chaque atome de carbone dans la molécule de sucre est numéroté. Si vous regardez la figure 9 de près, vous remarquerez peut-être que le brin gauche a un groupe phosphate libre en haut et un groupe hydroxyle libre ( ) en bas. Le groupe phosphate en haut à gauche est attaché au dernier carbone du sucre. Nous l’appelons l’extrémité du brin d’ADN. En bas de ce brin, le groupe hydroxyle libre est attaché au dernier carbone du sucre, c’est pourquoi nous l’appelons l’extrémité du brin d’ADN.

Maintenant, regardons le brin sur le côté droit de la figure 9. Pouvez-vous voir où se trouvent les extrémités et de ce brin ? L’extrémité est en bas, et l’extrémité est en haut ! Lorsque deux brins d’ADN se lient l’un à l’autre par l’appariement des bases complémentaires, ils sont antiparallèles l’un à l’autre. Cela signifie que dans un même côté, les deux brins d’ADN ont chacun des extrémités différentes ( et ), comme illustré à la figure 9. La nature antiparallèle est une autre caractéristique de l’ADN.

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

L’information dont une cellule a besoin pour remplir ses fonctions est codée dans un brin d’ADN. Dans une chaîne polynucléotidique, la séquence des bases azotées peut se « lire » à partir de l’extrémité du brin vers l’extrémité . L’ordre des bases forme un code génétique qu’une cellule peut interpréter, en convertissant le code en protéines spécifiques qui remplissent des fonctions spécifiques. 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 ! 

Nous avons appris que les brins d’ADN suivent l’appariement des bases complémentaire. Considérons un exemple rapide d’une séquence de bases azotées, dans le sens vers , comme indiqué sur la figure 10.

Jusqu’à présent, dans cette fiche explicative, nous avons découvert deux caractéristiques importantes de l’ADN : l’appariement des bases complémentaires et sa nature antiparallèle. Si nous appliquons ces caractéristiques ici, nous devrions être en mesure de déterminer la séquence d’ADN complémentaire ! 

Une des caractéristiques est que les deux brins d’ADN sont antiparallèles l’un à l’autre, ce qui signifie qu’ils se dirigent dans des directions opposées. Les informations sur le brin donné vont dans le sens . Cela signifie que l’autre brin va dans le sens vers . Nous pouvons ajouter ces légendes au schéma.

Maintenant, réfléchissons à la séquence des bases sur le brin complémentaire. L’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. D’après ces informations, nous pouvons compléter la séquence des bases sur le brin complémentaire afin de déterminer la séquence complémentaire, comme le montre la figure 11.

Le brin opposé d’ADN porte donc une version complémentaire du code inscrit dans le premier brin. Cela signifie essentiellement qu’une seule molécule d’ADN porte deux copies complémentaires de la même information ! 

Exemple 4: Déduire la séquence complémentaire d’un brin d’ADN

Un brin d’ADN a la séquence

Indiquez la séquence correspondant au brin complémentaire, en lisant dans le sens .

1. CACATGTG
2. TATACGCG
3. ATATGCGC

Réponse

L’ADN est constitué de deux chaînes polynucléotidiques qui sont antiparallèles l’une à l’autre. Il y a quatre types différents de bases azotées dans l’ADN : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Lorsque deux brins d’ADN se lient l’un à l’autre, ils suivent l’appariement des bases complémentaires : l’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, et la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

La séquence donnée dans la question dans le sens vers est

Appliquons les informations que nous avons apprises pour déterminer la séquence complémentaire, de l’extrémité vers l’extrémité . On peut remplacer les bases comme suit : 

• A T
• G C
• T A
• C G

La séquence que nous obtenons alors, sur le brin d’ADN complémentaire, est

La bonne option est donc

Dans une molécule d’ADN double brin, étant donné que l’adénine d’un brin ne peut se lier qu’à la thymine du brin complémentaire, le nombre de bases adénine dans la molécule doit être égal au nombre de bases thymine. De même, comme la guanine ne peut se lier qu’à la cytosine, le nombre de bases guanine doit être égal au nombre de bases cytosine. Par exemple, si une molécule d’ADN a 20 bases d’adénine, elle aura aussi 20 bases de thymine. C’est ce qu’on appelle les règles de Chargaff, et elles sont utiles pour le calcul des pourcentages de certaines bases dans une molécule d’ADN.

Comment calculer à l’aide des règles de Chargaff 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 se lie 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 est toujours égal au nombre de bases cytosine. C’est ce qu’on appelle les règles de Chargaff.

D’après les règles de Chargaff, nous pouvons calculer les pourcentages des différentes bases présentes dans une molécule d’ADN. Voyons comment procéder.

Appelons le nombre total de bases B_total et le nombre de bases pour chaque type de nucléotide B_A, B_T, B_C et B_G pour les bases respectives adénine, thymine, cytosine et guanine.

Grâce aux règles de Chargaff, nous savons que

Donc,

Appliquons ces connaissances dans un exemple.

Sur le graphique ci-dessus, le segment agrandi possède 12 paires de bases. Puisqu’il y a 12 paires, il y a 24 bases au total : 

Si on nous dit que 4 de ces bases sont la cytosine : 

Puisque B_C B_G,

Nous pouvons ensuite déterminer le nombre de bases restantes après avoir exclu la cytosine et la guanine :  ou

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

Puisque selon les règles de Chargaff, , on peut conclure que la moitié des 16 bases restantes sont l’adénine et l’autre moitié sont la thymine : 

Et, comme B_A = B_T,

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

Pour calculer le pourcentage, on divise le nombre d’une base donnée par le nombre total de bases, et on multiplie cette valeur par  : 

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

Base	Nombre	Pourcentage
Adénine	8
Thymine	8
Cytosine	4
Guanine	4

Maintenant que la structure de l’ADN est claire, apprenons-en plus sur la découverte de cette structure et les scientifiques qui ont contribué aux travaux de cette découverte.

En 1953, James Watson et Francis Crick ont proposé le modèle à double hélice de l’ADN, en se fondant sur les recherches que d’autres scientifiques avaient déjà menées. En 1962, leur travail leur a valu, ensemble avec Maurice Wilkins, le prix Nobel de physiologie ou de médecine, ce qui a été considéré comme un événement marquant de l’histoire des sciences. Cependant, un scientifique n’a pas été reconnu pour ses contributions importantes. Sans le travail de Rosalind Franklin, le modèle d’ADN à double hélice n’aurait pas vu le jour.

À Londres, en 1951, Rosalind Franklin a commencé à étudier la structure de l’ADN, en s’appuyant sur les études précédemment menées par Maurice Wilkins. Elle avait une grande expertise dans une technique appelée cristallographie aux rayons X, qu’elle a utilisée pour prendre des photos de cristaux d’ADN isolés. Découvrons rapidement comment cette technique fonctionne.

Lorsque les rayons X traversent des structures cristallines, ils se diffractent ou se scindent dans plusieurs directions différentes. Les motifs de diffraction qui en résultent peuvent être capturés par photographies. Les scientifiques peuvent ensuite examiner ces modèles de diffraction et en déduire la structure moléculaire d’un cristal.

Rosalind Franklin et son équipe ont développé plusieurs photographies de la structure cristalline de l’ADN. En 1952, la 51ème photographie qu’ils ont prise montrait clairement que les molécules d’ADN prennent la forme d’une double hélice. L’image montre une molécule d’ADN vue de dessus. Cette image indique clairement qu'une molécule d'ADN contient deux brins, car le diamètre de la molécule est trop grand pour ne contenir qu’un seul brin. Il était également clair que les bases azotées ou « barreaux » de la structure s’orientaient vers l’intérieur de la molécule. Cette photo historique est connue sous le nom de Photo 51.

À l’insu de Rosalind Franklin, Maurice Wilkins a montré la Photo 51 à James Watson, ainsi que toutes les données de Franklin. James Watson et son partenaire de recherche, Francis Crick, ont ensuite utilisé cette information pour proposer le modèle à double hélice de l’ADN. Ce modèle a été publié en 1953, sans mentionner les contributions de Rosalind Franklin ! 

Malheureusement, Rosalind Franklin est décédée d’un cancer de l’ovaire en 1958. Elle n’a jamais été honorée ni reconnue dans sa vie pour sa découverte révolutionnaire. Après sa mort, Watson, Crick et Wilkins ont reçu le prix Nobel en 1962, mais il a fallu encore plusieurs années avant que les contributions de Franklin soit reconnues à leur juste valeur.

La connaissance de la structure de l’ADN est essentielle à la science moderne et biomédicale. Les innovations telles que le génie génétique, la thérapie génique et plusieurs techniques de diagnostic ont été rendues possibles grâce au fait que les scientifiques comprennent maintenant complètement la structure et les fonctions de l’ADN. Par conséquent, lorsque nous abordons le sujet de l’ADN, il est également important de connaître l’histoire de sa découverte et les précieuses contributions de tous les scientifiques qui ont conduit au modèle ADN que nous apprenons aujourd’hui ! 

Résumons tout ce que nous avons appris sur l’ADN, sa structure et sa découverte.