Acide désoxyribonucléique (ADN): expériences de modélisation, de composition chimique et de transformation

Lisez cet article pour en savoir plus sur les expériences de modélisation, de composition chimique et de transformation de l'ADN!

Acide désoxyribonucléique (ADN):

L'ADN se trouve dans les cellules de tous les organismes vivants, à l'exception de certains virus de plantes. Dans les bactériophages et les virus, il existe un noyau central d’ADN qui est enfermé dans un manteau de protéines. Dans les bactéries, ainsi que dans les mitochondries et les plastides de cellules eucaryotes, l’ADN est circulaire et se trouve nu dans le cytoplasme.

Dans les noyaux des cellules eucaryotes, l'ADN se présente sous la forme de longs fils spiralés et non ramifiés, les chromosomes. Dans les chromosomes, l'ADN est associé à des protéines formant des nucléoprotéines, le matériau de la chromatine. Plusieurs lignes de preuves indirectes suggèrent depuis longtemps que l’ADN contient l’information génétique des organismes vivants.

Les résultats les plus importants obtenus en utilisant plusieurs procédures expérimentales différentes ont montré que la plupart de l'ADN est situé dans les chromosomes, alors que l'ARN et les protéines sont plus abondants dans le cytoplasme. De plus, il existe une corrélation précise entre la quantité d’ADN par cellule et le nombre de jeux de chromosomes par cellule.

La plupart des cellules somatiques des organismes diploïdes, par exemple, contiennent exactement deux fois plus d'ADN que les cellules germinales haploïdes ou les gamètes de la même espèce. Enfin, la composition moléculaire de l'ADN dans toutes les cellules d'un organisme est la même (à de rares exceptions près), alors que la composition de l'ARN et des protéines varie à la fois qualitativement et quantitativement d'un type de cellule à l'autre. Bien que ces corrélations suggèrent fortement que l'ADN est le matériel génétique, elles ne le prouvent nullement. La preuve directe a établi que l'information génétique est codée dans l'ADN.

Expériences de transformation:

Les expériences de transformation ont été initialement menées par Frederick Griffith en 1928. Il a injecté un mélange de deux souches de pneumocoque (Diplococcus pneumoniae) à des souris. Une de ces deux souches, S III était virulente et l’autre souche R II était non virulente. La souche SIII virulente tuée par la chaleur, lorsqu'elle est injectée individuellement, ne provoque pas la mort, ce qui montre que l'infectivité après la destruction par la chaleur est perdue.

Les souris ayant reçu un mélange de RII (vivant) et de S III (tué par la chaleur) sont décédées et des pneumocoques virulents pourraient être isolés de ces souris. On en a déduit que certains composants des cellules SIII mortes (principe de transformation) devaient avoir converti des cellules RII vivantes en S III.

OT Avery, CM MacLeod et M. McCarty répétèrent en 1944 les expériences de Griffith dans un système in vitro et produisirent la première preuve directe que le matériel génétique était un ADN plutôt qu'une protéine ou un ARN. Ils ont démontré que le composant de la cellule responsable du phénomène de transformation de la bactérie Diplococcus pneumoniae est l'ADN. Ces expériences impliquaient l'utilisation d'enzymes qui dégradent l'ADN, l'ARN ou les protéines.

Dans des expériences séparées, l'ADN hautement purifié de cellules S III a été traité avec:

(1) désoxyribonucléase (ADNase) qui dégrade l’ADN,

(2) ribonucléase (ARNase) qui dégrade l'ARN ou

(3) Protéases (qui dégradent les protéines) et ensuite testé pour sa capacité à transformer les cellules RII en SIII. Seule la DNAase n’a aucun effet sur les activités de transformation de la préparation d’ADN, elle élimine totalement toute activité de transformation. Ces expériences ont donc indiqué que l'ADN et non les protéines ou l'ARN est le matériel génétique.

Des preuves directes supplémentaires indiquant que l'ADN est le matériel génétique ont été démontrées par AD Hershey et MJ Chase dans le bactériophage T2.

Composition chimique de l'ADN:

Des analyses chimiques ont montré que l’ADN est composé de trois types de molécules différents.

1. L'acide phosphorique (H ₃ PO ₄ ) comprend trois groupes réactifs (-OH), dont deux participent à la formation de l'épine dorsale du phosphate de sucre de l'ADN.

2. sucre Pentose:

L'ADN contient du 2'-désoxy-D-ribose (ou simplement du désoxyribose) qui est à l'origine du nom acide nucléique désoxyribose.

3. bases organiques:

Les bases organiques sont des composés hétérocycliques contenant de l'azote dans leurs cycles; par conséquent, elles sont également appelées bases azotées. L'ADN contient habituellement quatre bases différentes appelées adenirie (A), guanine (G), thymine (T) et cytosine (C).

Ces quatre bases sont regroupées en deux classes sur la base de leur structure chimique:

(1) pyrimidine (T et C) et

(2) purine (A, G).

Dans l'ADN, on trouve quatre nucléosides différents. Ceux-ci sont:

(i) désoxycytidine

(ii) désoxythie médiane,

(iii) la désoxyadénosine et

(iv) la désoxyguanosine.

De même, quatre nucléotides dans l'ADN sont:

(i) un acide désoxycytidylique ou un désoxyscytidylate,

(ii) acide désoxythymidylique ou désoxythymidylate,

(iii) acide désoxyadénylique ou désoxyadénylate et

(iv) l'acide désoxyguanylique ou désoxyguanylate.

Quand E. Chargaff et ses collaborateurs (1950) ont analysé la composition de l'ADN de nombreux organismes différents, il a été observé que (i) quelle que soit la source, les composants purine et pyrimidine apparaissent en quantités égales dans une molécule, (ii) la quantité d'adénine (A) est équivalente à la quantité de thymine (T) et de cytosine (C) est équivalente à celle de guanine (G) et (iii) le rapport de base A + T / G + C est constant pour un espèce.

Le modèle d'ADN à double hélice de Watson et Crick:

La structure de l'ADN a été déduite pour la première fois par JD Watson et FH Crick en 1953. Sur la base des données de Chargaff, des résultats de diffraction aux rayons X de Wilkin et Franklin et des inférences de leurs propres modèles de bâtiments, Watson et Crick suggèrent que l'ADN existe sous la forme d'une double hélice. dans lequel les deux chaînes polynucléotidiques sont enroulées l'une sur l'autre en spirale.

Chaque chaîne polynucléotidique consiste en une séquence de nucléotides liés ensemble par des liaisons phosphodiester, formant des fractions désoxyribose adjacentes. Les deux brins polynucléotidiques sont maintenus ensemble dans leur configuration hélicoïdale par liaison hydrogène entre des bases de brins opposés, les paires de bases résultantes étant empilées entre les deux chaînes perpendiculaires à l'axe de la molécule comme les marches d'une échelle en spirale.

L'appariement des bases est spécifique, l'adénine est toujours associée à la thymine et la guanine est toujours associée à la cytosine. Ainsi, toutes les paires de bases consistent en une purine et une pyrimidine. La spécificité de l'appariement des bases résulte des capacités de liaison hydrogène des bases, dans leurs configurations normales.

Dans leurs configurations structurelles les plus courantes, l'adénine et la thymine forment deux liaisons hydrogène et la guanine et la cytosine forment trois liaisons hydrogène. Une liaison hydrogène analogue entre la cytosine et l'adénine, par exemple, n'est généralement pas possible.

Une fois que la séquence de bases dans un brin d'une double hélice d'ADN est connue, la séquence de bases dans l'autre brin est également automatiquement connue en raison de l'appariement de bases spécifique. Les deux brins d'une double hélice sont donc dits complémentaires (non identiques); c'est cette propriété, la complémentarité des deux volets, qui rend l'ADN particulièrement apte à stocker et à transmettre des informations génétiques.

Les paires de bases de l'ADN sont empilées à une distance de 3, 4A ° avec 10 paires de bases par tour (360 °) de la double hélice. Les épines dorsales en phosphate de sucre des deux brins complémentaires sont antiparallèles; c'est-à-dire qu'ils ont une polarité chimique opposée.

Lorsque l'on se déplace unidirectionnel le long d'une double hélice d'ADN, les liaisons phosphodiester d'un brin vont d'un carbone en 3 'd'un nucléotide à un carbone en 5' du nucléotide adjacent, tandis que celles du brin complémentaire passent d'un carbone en 5 'à un carbone en 3'. .

Les formes A, B et Z de l’ADN:

La grande majorité des molécules d'ADN présentes dans les protoplasmes aqueux de cellules vivantes existent presque certainement sous la forme à double hélice de Watson-Crick décrite ci-dessus. Ceci s'appelle la forme B de l'ADN et montre un enroulement droitier. Il contient 10, 4 paires de bases par tour (au lieu des 10 mentionnées ci-dessus). L'ADN déshydraté se présente sous la forme A, qui est aussi une hélice vers la droite, mais il a 11 paires de bases par tour.

Certaines séquences d'ADN se présentent sous la forme Z, qui montre un enroulement à gauche, contient 12 paires de bases par tour. Dans l’ADN-Z, le squelette sucre-phosphate suit un chemin en zig-zag qui lui donne le nom d’ADN-Z ou de forme Z.

Des segments spécifiques d'une molécule d'ADN peuvent subir des changements de conformation de la forme B à la forme Z et inversement; ces modifications peuvent être provoquées par certaines protéines régulatrices spécifiques. L'ADN de forme Z est supposé jouer un rôle dans la régulation des gènes.

Preuves à l'appui de la structure en double hélice de l'ADN:

La structure en double hélice de l'ADN donnée par Waston et Crick est corroborée par les évidences suivantes.

1. MHF Wilkins et ses collègues ont étudié l'ADN par cristallographie aux rayons X et ont soutenu sa structure en double hélice.

2. Kornberg et ses collaborateurs ont essayé de synthétiser de l'ADN dans un milieu exempt d'ADN en présence d'une enzyme, l'ADN polymérase et de nucléotides, éléments constitutifs de l'ADN. Ils ont découvert que dans un milieu sans ADN contenant tous les composés nécessaires, la synthèse de l'ADN ne se produit pas. Ce n'est que lorsque de l'ADN a été ajouté en tant qu'amorce au même milieu que la synthèse de l'ADN a commencé.