Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure des nucléotides et des acides nucléiques et souligner leur importance chez les organismes vivants.
Les acides nucléiques sont un type de macromolécule adapté au stockage et au transfert d’informations. Les acides nucléiques tirent leur nom du fait qu’ils ont été initialement découverts dans le noyau de la cellule. Il y a deux types d’acides nucléiques : l’ADN, ou acide désoxyribonucléique, et l’ARN, ou acide ribonucléique. Même s’ils ont été initialement découverts dans le noyau des cellules eucaryotes, les acides nucléiques existent chez tous les êtres vivants, y compris les procaryotes qui ne possèdent pas de noyau.
Mots clés: Acide nucléique
L’ADN et l’ARN sont des acides nucléiques. Ce sont des polymères à base de monomères nucléotidiques. Ces macromolécules sont adaptées pour stocker et transmettre des informations génétiques.
Les acides nucléiques sont des polymères. Cela signifie que ce sont de grandes molécules qui sont constituées de plusieurs sous-unités moléculaires répétées, ou monomères. Les monomères d’acides nucléiques sont appelés nucléotides. Un nucléotide se compose de trois parties : un groupe phosphate, un sucre pentose et une base azotée. La structure de base d’un nucléotide est illustrée dans la figure 1.
Mot clé: Nucléotide
Un nucléotide est un monomère d’un polymère d’acide nucléique. Les nucléotides sont constitués d’un sucre pentose, d’un groupe phosphate et d’une base azotée.
Exemple 1: Identifier les unités monomériques dans les polymères d’acides nucléiques
Les acides nucléiques sont des polymères. Quelles sont les unités monomériques des acides nucléiques ?
Réponse
Un polymère est une grande molécule composée de plusieurs petites molécules semblables liées ensemble. Les acides nucléiques comprennent l’ADN et l’ARN, et bien qu’ils aient quelques différences, ce sont tous deux de grandes molécules formées à partir de brins de molécules plus petites appelées nucléotides. Un nucléotide est constitué d’un groupe phosphate, d’une des 5 bases azotées différentes, et d’un sucre pentose. Différents types de nucléotides ont différents sucres pentose : le désoxyribose dans l’ADN et le ribose dans l’ARN. La figure ci-dessous illustre la structure de l’ADN avec l’un de ses nucléotides mis en évidence.
D’après ces informations et le schéma, nous pouvons conclure que les unités monomères des acides nucléiques sont des nucléotides.
Les pentoses sont des molécules de sucre qui possèdent 5 atomes de carbone (« pent- » est un préfixe qui signifie « cinq »). Il y a deux types de sucres pentose dans les acides nucléiques : le sucre désoxyribose et le sucre ribose. Grâce à leur nom, nous savons que le sucre désoxyribose est dans l’ADN et que le ribose est dans l’ARN. Un schéma des sucres désoxyribose et ribose est illustré dans la figure 2.
Mots clés: 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, et le sucre pentose dans l’ARN est le sucre ribose.
Il existe 5 types de bases azotées : l’adénine, la thymine, la cytosine, la guanine et l’uracile. Celles-ci sont souvent représentées par leurs initiales : A, T, C, G et U. La base thymine se trouve uniquement dans les nucléotides de l’ADN et la base uracile se trouve uniquement dans les nucléotides de l’ARN.
Que ce soit du sucre ribose ou du sucre désoxyribose, la liaison relie une base azotée au carbone numéro 1 du sucre pentose. Le groupe phosphate est lié avec le carbone numéro 5. Un schéma des 5 bases azotées est illustré dans la figure 3.
La polymérisation des nucléotides les unit pour former un acide nucléique. Les nucléotides adjacents se lient dans une réaction chimique appelée réaction de condensation, également appelée réaction de synthèse par déshydratation. Une liaison covalente se forme entre le groupe phosphate d’un nucléotide et le sucre pentose d’un autre, libérant ainsi une molécule d’eau. La liaison covalente qui est formée entre un groupe phosphate et deux sucres est appelée une liaison phosphodiester. Ces liaisons solides forment une chaîne structurelle stable, appelée squelette sucre-phosphate. Un schéma illustrant ce processus est illustré dans la figure 4.
Mots clés: Squelette sucre–phosphate
Le squelette sucre-phosphate décrit la liaison alternée de sucres pentose et de groupes phosphate qui constituent la base structurelle de l'acide nucléique.
Définition: Liaison phosphodiester
Une liaison phosphodiester est la liaison chimique qui se forme entre un groupe phosphate et deux molécules de sucre.
Les acides nucléiques sont chargés de stocker et de transférer les informations génétiques. Le squelette sucre-phosphate d'un acide nucléique étant toujours le même, l'information génétique se trouve dans la séquence, ou l'ordre, des différentes bases azotées.
L'ADN est spécifiquement adapté au stockage d'informations et à leur transmission aux cellules ou organismes de la descendance. En fait, un chromosome peut porter presque 250 MB de données. Cela peut sembler peu, mais ce sont les données de l'ADN qui font de vous ce que vous êtes. Cela signifie que les données stockées dans l’ADN doivent être stables, précises et faciles à copier.
L'ADN est constitué de deux brins de nucléotides liés entre eux par leurs bases azotées. Les bases sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène. En raison de la structure des nucléotides, l'ADN forme une échelle torsadée appelée double hélice. Les squelettes sucre-phosphate forment les côtés de l’échelle, et deux bases liées par l’hydrogène composent chaque échelon. Un schéma de la structure en double hélice est illustré dans la figure 5.
Mots clés: Double hélice
Une double hélice est en forme d'« échelle torsadée », il s’agit de la forme d'une molécule d'ADN.
Définition: ADN (Acide désoxyribonucléique)
L’ADN est la molécule qui porte les instructions génétiques pour la vie. Il est composé de deux brins de nucléotides qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une double hélice.
La séquence des bases est l’information génétique stockée dans une molécule d’ADN. Puisque la séquence est si importante, elle doit être maintenue dans le bon ordre. Nous lisons les bases le long d’un brin d’ADN dans la direction (cinq prime) vers (trois prime). Cette direction est déterminée par l’emplacement des troisième et cinquième atomes de carbone dans le sucre pentose à l’intérieur de chaque nucléotide, comme vous pouvez le voir dans les figures 2 et 4. Le brin correspondant, ou complémentaire, est orienté dans la direction opposée, de vers . Nous appelons cet arrangement « antiparallèle ». Nous pouvons voir les brins antiparallèles de l’ADN dans la figure 5 et la figure 6.
Les bases suivent certaines règles lorsqu'elles se lient les unes aux autres. Dans l’ADN, l’adénine ne se lie qu’à la thymine, et la cytosine ne se lie qu’à la guanine. Nous les appelons les « règles de l’appariement ». D’après la figure 5 et la figure 6, nous pouvons voir que dans la molécule d’ADN, A est toujours associé à T, et C est toujours associé à G. Les deux brins de nucléotides appariés par des bases sont dits « complémentaires », car ils s'emboîtent comme deux pièces de puzzle.
Exemple 2: Rappeler le type de liaison qui se forme entre des paires de base complémentaires de l’ADN
Quel type de liaison se forme entre les paires de bases complémentaires de l’ADN ?
Réponse
L’ADN est le matériel génétique de l’Homme et est extrêmement important à la détermination de nos caractéristiques. Une molécule d’ADN est constituée de deux brins complémentaires qui s’enroulent en une forme distincte appelée double hélice. Les brins sont formés par la polymérisation de nucléotides. Les monomères nucléotidiques s’associent pour créer des polymères d’acides nucléiques qui forment des liaisons phosphodiester entre les groupes phosphate et les sucres pentose par des réactions de condensation. Cela crée une structure stable que nous appelons un « squelette sucre-phosphate ». Les deux brins complémentaires sont maintenus ensemble par des liaisons chimiques entre les bases azotées, et seules certaines paires de bases sont capables de se lier l’une à l’autre. Dans l’ADN, les bases azotées de l’adénine se lient à la thymine et celles de la cytosine se lient à la guanine, ce sont des « paires de bases complémentaires ». Les bases azotées qui sont capables de s’unir forment des liaisons hydrogène qui maintiennent les deux brins ensemble et leur permettent de se tordre en une double hélice.
Ainsi, le type de liaison qui se forme entre les paires de bases complémentaires dans l’ADN est la liaison hydrogène.
Exemple 3: Composer une séquence complémentaire à un brin ADN
Un brin individuel d’ADN a la séquence suivante :
En lisant de vers sur le brin complémentaire, quelle devrait être la séquence des bases ADN ? Vous n’avez pas besoin d’inclure ou .
Réponse
Les brins complémentaires de l’ADN sont antiparallèles, ce qui signifie qu’ils se dirigent dans des directions opposées. Donc, si la direction de gauche à droite va de à sur un brin, alors la direction de gauche à droite sur le brin complémentaire irait de à . Les séquences d’ADN sont définies par l’ordre des bases azotées dans le brin de nucléotides. Chaque base azotée ne se lie qu’avec sa paire complémentaire. Dans l’ADN, l’adénine (A) ne se lie qu’à la thymine (T) et la cytosine (C) ne se lie qu’à la guanine (G). Ainsi, pour chaque « A » dans la séquence donnée de la question, nous devrions placer un « T » sur le brin complémentaire. Pour chaque « C », nous devons placer un « G », pour chaque « T » un « A », et pour chaque « G » un « C ».
Par conséquent, en utilisant ces règles d’appariement des bases, nous pouvons déterminer que la séquence d’ADN sur le brin complémentaire doit être TAATAACGCG.
Les liaisons hydrogène entre les deux brins nucléotidiques sont relativement faciles à rompre, et les bases nucléotidiques ne se lieront qu’avec une correspondance complémentaire. Ces caractéristiques de l’ADN sont ce qui lui permet de porter de grandes quantités d’informations et de les copier rapidement et avec précision. L’ADN est aussi une molécule particulièrement stable. C’est pour cela que l’ADN est bien adapté à sa fonction de stockage d’informations héréditaires.
Les règles d’appariement que nous avons décrites sont souvent appelées « règles de Chargaff » d’après le scientifique qui les a développées. Un chimiste nommé Erwin Chargaff a découvert dans les années 1940 que dans un échantillon d’ADN de n’importe quelle espèce, la concentration de bases adénine sera égale à la concentration de thymine. De même, la concentration de cytosine sera égale à la concentration de guanine. Cette découverte est ce qui a conduit aux règles d’appariement des bases que nous venons de décrire.
Cette information sert aussi à calculer le pourcentage des différentes bases qui composent un échantillon d’ADN. Si l’on connait le nombre total de nucléotides dans un échantillon et la quantité d’un seul type de base, il est possible d’utiliser les règles de Chargaff pour déterminer la composition des quatre différentes variétés de bases azotées.
Comment calculer la composition en pourcentage à l'aide des règles de Chargaff (règles d’appariement des bases)
Les règles d’appariement des bases de l’ADN stipulent que, entre les deux brins complémentaires, l’adénine s’apparie toujours avec la thymine et la cytosine s’apparie toujours avec la guanine. Ceci est illustré dans le schéma ci-dessous.
De même, nous pouvons déduire que, dans tout échantillon d’ADN, le nombre de bases adénine sera égal au nombre de bases thymine, et le nombre de bases cytosine sera égal au nombre de bases guanine.
Grâce à cette information, on peut calculer le nombre de bases et la composition en pourcentage de chaque type de base dans un échantillon d’ADN avec très peu de données initiales.
Soit le nombre total de bases .
Nous appellerons le nombre de bases , , , et pour chaque type respectif de nucléotide adénine, thymine, cytosine et guanine.
En utilisant la règle de Chargaff, nous savons que et aussi et enfin que
Appliquons ces connaissances à un exemple.
Sur le graphique ci-dessus, le segment considéré 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 ,
Ensuite, nous pouvons déterminer le nombre de bases restantes après avoir soustrait celles de la cytosine et de la guanine : ou
Cet ensemble de calculs nous indique que le nombre de bases qui restent après avoir exclu celles de la cytosine et de la guanine est de 16.
Selon la règle de Chargaff, on peut donc conclure que la moitié des 16 bases restantes sont l’adénine et l’autre moitié sont la thymine :
Et, puisque ,
Nous pouvons vérifier ces valeurs en les comparant à ce que nous voyons sur la figure. Nous devons compter le nombre de A, T, C et G pour vérifier notre travail.
Maintenant que nous connaissons le nombre de chaque type de base présente dans notre échantillon de 24 bases au total ; calculons la composition de chacun en pourcentage.
Pour calculer le pourcentage, on divise le nombre d’une base donnée par le nombre total de bases, et on multiplie le résultat par .
Par exemple,
Si nous effectuons ce calcul pour chacune des bases, nous obtenons les résultats du tableau ci-dessous.
| Base | Nombre | Pourcentage |
|---|---|---|
| Adénine | 8 | |
| Thymine | 8 | |
| Cytosine | 4 | |
| Guanine | 4 |
Si on commence par le nombre total de nucléotides et le nombre d’un seul type de base, on peut calculer la composition en nombre et en pourcentage de chacune des 4 bases dans un échantillon d’ADN.
Exemple 4: Calculer le pourcentage de la composition des bases nucléotidiques dans l’ADN
Une molécule d’ADN contient 180 bases. 18 de ces bases sont l’adénine.
- Quel est le pourcentage des bases thymine ?
- Quel est le pourcentage des bases guanine ?
Réponse
Partie 1
Cette question nous donne quelques informations sur une section d’une molécule d’ADN. On nous dit d’abord que la molécule contient 180 bases. On nous apprend également que sur ces 180 bases, 18 sont de l’adénine.
Une molécule d’ADN se compose de deux brins complémentaires. Complémentaire signifie que les deux brins s’assemblent en suivant un modèle. Dans ce cas, ce modèle est ce que l’on appelle les « règles d’appariement ». Les règles d’appariement des bases stipulent que lorsqu’un brin d’ADN possède la base adénine, le brin complémentaire aura la base thymine. De même, lorsqu’il y a une base guanine sur un brin, le brin complémentaire aura la cytosine. L’illustration de l’ADN ci-dessous fournit un exemple concret de ces règles d’appariement des bases.
En sachant cela, nous pouvons conclure que s’il y a 18 bases adénine dans un segment d’ADN, il y aura également 18 bases thymine, car chaque adénine sera associée à une base thymine. La question porte sur le pourcentage de bases thymine.
Pour convertir le nombre en pourcentage, nous devons prendre le nombre d’une base donnée, le diviser par le nombre total de bases, puis multiplier le résultat par :
Partie 2
Maintenant, nous avons le nombre total de bases, le nombre de bases d’adénine et le nombre de bases de thymine. À l’aide de ces nombres, nous pouvons calculer le nombre de bases guanine et cytosine :
Les mêmes règles s’appliquent aux bases cytosine et guanine que celles que nous avons utilisées pour l’adénine et la thymine. Étant donné que la cytosine et la guanine sont des paires complémentaires, exactement la moitié des 144 bases restantes seront la cytosine et l’autre moitié seront la guanine :
En utilisant les calculs ci-dessus, nous pouvons déterminer que 72 bases seront la cytosine et 72 seront la guanine.
Encore une fois, la question porte sur le pourcentage de guanine, et non sur son nombre. Pour obtenir cette valeur, il faut diviser le nombre de bases guanine par le nombre total de bases, puis multiplier la valeur obtenue par :
Les molécules d’ADN et d’ARN remplissent différentes fonctions dans les cellules vivantes. L’ADN stocke les informations génétiques et l’ARN copie ces informations pour les transporter d’un endroit à l’autre. L’ARN transporte spécifiquement le code génétique de l’ADN dans le noyau vers les parties de la cellule responsables de la synthèse des protéines.
Pour ce faire, les deux brins d’ADN se séparent et les nucléotides d’ARN s’associent aux bases d’ADN exposées, formant un seul brin d’informations capable de se transférer ailleurs. C'est ce que montre la figure 7.
Lorsque l’ARN copie des informations de l’ADN, il suit des règles similaires d’appariement des bases. La cytosine et la guanine s’associent comme d’habitude. Lorsque l’ADN contient de la thymine, il s’apparie à la base de l’ARN adénine, mais lorsque l’ADN contient de l’adénine, il s’apparie avec la base de l’ARN uracile au lieu de la thymine. Ceci est illustré dans la figure 8 et le tableau 1.
Mot clé: ARN (Acide ribonucléique)
L’ARN est un polynucléotide simple brin spécifiquement adapté à la transmission d’informations génétiques d’un endroit à l’autre.
Exemple 5: Différencier les types de bases azotées entre l’ADN et l’ARN
Quelle base azotée dans l’ADN est remplacée par l’uracile dans l’ARN ?
Réponse
L’ADN et l’ARN sont tous deux des acides nucléiques. Les acides nucléiques sont des polymères fabriqués à partir de monomères nucléotidiques. Un nucléotide est une molécule constituée d’un groupe phosphate, d’un sucre pentose et d’une base contenant de l’azote. Il y a 5 types de bases azotées : l’adénine, la thymine, la cytosine, la guanine et l’uracile. Les nucléotides de l’ADN et de l’ARN possèdent tous deux des bases adénine, cytosine ou guanine. Seul l’ADN possède la base thymine, et seul l’ARN possède la base uracile. Cela signifie que, lors de l’appariement des bases, une base adénine aura la paire complémentaire thymine dans une molécule d’ADN, mais sera associée à l’uracile dans l’ARN.
Par conséquent, nous pouvons en déduire que la base azotée dans l’ADN qui est remplacée par l’uracile dans l’ARN est la thymine.
Les acides nucléiques sont les molécules qui dictent aux cellules leurs caractéristiques et la façon de monter leur mécanisme cellulaire. Les adaptations des acides nucléiques les rendent particulièrement adaptés à leur fonction de stockage et de transfert d’informations.
Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.
Points clés
- Les acides nucléiques sont des macromolécules biologiques adaptées au stockage et au transfert d’informations.
- Les acides nucléiques sont des polymères fabriqués à partir de monomères appelés nucléotides.
- Un nucléotide est une molécule qui se compose d’un groupe phosphate, d’un sucre pentose et de l’une des 5 bases azotées.
- Les bases azotées présentes dans l’ADN sont l’adénine, la thymine, la cytosine et la guanine, tandis que l’ARN a la base uracile au lieu de la thymine.
- L’ADN est adapté pour stocker des informations, est une molécule double brin et possède du sucre désoxyribose.
- L’ARN est adapté au transfert d’informations, est une molécule simple brin et possède du sucre de ribose.
