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ADN
Notre ADN est cosmique ou terrienne ?
Merci de vos réponses ...
L'origine de la vie Quand nous passons de l'astronomie aux récentes découvertes de la biochimie, nous voyons immédiatement l'importance des acides nucléiques et des protéines présents dans toutes nos cellules.
Pour rappel, en 1953 le biologiste américain James Watson et le physicien britannique Franck Crick découvraient l’ADN, une macromolécule agencée sous la forme de deux séries antiparallèles de nucléotides en vis-à-vis.
Chargée de transmettre le patrimoine héréditaire, le génome des êtres vivants, l’ADN compte parmi les plus grosses structures avec, chez l'homme, quelque 12 milliards d'atomes.
Chaque maillon contient quatre bases azotées : l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G), la cytosine (C), plus un sucre simple et un acide phosphorique qui forment ses montants. La thymine et la cytosine forment de petites molécules hexagonales tandis que la guanine et l’adénine sont plus volumineuses, étant formées d’un hexagone lié à un pentagone.
La molécule d’ADN forme une double hélice inversée excessivement longue. Dix paires de nucléotides forment une spire de 2 nm de diamètre (2 millionièmes de millimètre) et de 3.4 nm de longueur.
L’extension complète de l’ADN humain forme un fil de plus d’1.20 m de long qui tient à l’aise dans un centimètre cube au fond d’une éprouvette.
Cette dimension n’est pas exceptionnelle. La longueur de l’ADN des oiseaux atteint 30 cm et celle de la grenouille peut atteindre 2.40 m !
La molécule d'ADN est constituée d'une très longue chaîne constituée de 6 milliards de paires de nucléotides ou base.
Chaque nucléotide se compose d'un acide phosphorique (P), d'un sucre (S) et de plusieurs bases : adénine (A, thymine (T), guanine (G) et cytosine (C).
Les nucléotides forment ainsi une double hélice inversée qui s'enroule de nombreuses fois sur elle-même.
La répétition de ces 4 lettres dans un ordre forme le matériel génétique d’un individu. La disparition d’un seul acide aminé de cette chaîne peut déclencher des maladies infectieuses, parfois héréditaires.
Dans son principe, quand une cellule eucaryote a besoin d'une substance spécifique pour assurer ses fonctions métaboliques, Francis Crick a découvert à la fin des années '50 que l'information se transmettait essentiellement de l'ADN à l'ARN aux protéines au cours d'un processus qui se déroule en plusieurs étapes centrées sur une transcription et une traduction de l'information.
L'ADN du noyau synthétise un message codé sous forme d'ARN messager (ARNm). Ces ARN sont les plus variés et aussi les plus nombreux.
Comment procède ensuite la cellule ?
En fait, les deux brins de la double hélice de l’ADN formés de bases complémentaires constituent en quelque sorte un original et sa copie.
L’ADN se divise sur une certaine longueur sous l’action d’un complexe multienzymatique, le réplisome.
Contrairement à la représentation souvent donnée, selon Christian de Duve le réplisome est fixe et probablement ancré au niveau du mésosome, et c’est l’ADN qui se déplace. Il se présente symétriquement à travers deux réplisomes jumeaux et sort du complexe sous forme dupliquée.
Ce mécanisme est très lourd car il doit surmonter de nombreux problèmes topologiques et mécaniques liés à la structure hélicoïdale et l’orientation antiparallèle des deux brins d’ADN, et veiller à ce que la réaction enzymatique soit amorcée par un ARN.
Les bases doivent ensuite se recombiner par paires et de façon unique : A avec T et G avec C.
Lorsque les nucléotides des ARN trouvent leur base complémentaire, une enzyme polymérase les assemblent avec l’ARN-messager.
Cette transcription suit donc le même ordre que celui des séquences de l’ADN et peut se répéter un très grand nombre de fois.
Les séquences d’ADN qui sont transcrites mais non traduites sont dénommées introns. Celles qui sont traduites et véhiculées par l’ARN-messager sont dénommées extrons.
Au cours de la transcription de l’ADN les gènes assurent plusieurs tâches : avant toute chose ils synthétisent des ARN fonctionnels, surtout des ARN de transfert (ARNt) dont certains sont débités et mis à dimension par des enzymes contenant des ARN à fonction catalytique (telle la ribonucléase P chez le fameux colibacille Escherichia coli).
Il faut insister sur ce point car cette molécule d’ARN est capable de catalyser une réaction presque aussi efficacement que le complexe réplisome !
La transcription de l’ADN sert également à synthétiser des ARNr (ARN-ribosomial) qui assurent la croissance des bactéries (transcription des gènes).
Last but not least, cette transcription à l’immense tâche de coder pour les ARN-messagers, c’est-à-dire de synthétiser des protéines.
A gauche, schéma des réactions chimiques de synthèse d'un polypeptide.
A droite, schéma fonctionnel simplifié de la synthèse d'une peptide insistant sur le rôle du ribosome :
1. Un ARNt capture un acide aminé dans le noyau d'une cellule et s'approche d'un ribosome pour l'assembler.
2. Le ribosome décode le message de l'ARNm tandis que l'ARNr aligne l'ARNt chargé. Finalement l'ARNm assemble la chaîne protéinique.
3. L'ARNt libéré de sa charge retourne dans le noyau chercher d'autres acides aminés. Lorsque la copie est effectuée, l’ARNm transporte son information dans le cytoplasme où elle sera lue par l’ARNr.
Malgré trois décades d’investigations, il n’y a que des hypothèses sur le fonctionnement des ribosomes, eux-mêmes assemblés à partir d’ARN spécifiques et de protéines. Leur fonction est de construire des protéines à partir des acides aminés.
Mais ces derniers sont incapables de lire le message de l’ARN-messager. Ils doivent faire appel aux ARNt qui capturent les acides aminés par attraction chimique.
Lorsqu’un message se présente dans (ou peut-être sur) la petite usine chimique du ribosome, les deux sous-unités ribosomiales se rapprochent et le message en question est dirigé vers la chaîne de montage.
A l’extrémité de l’ARN de transfert se trouve des anticodons (combinaisons de 3 bases), complémentaires des codons du message.
L’acide aminé les reconnaît, se détache de l’ARN de transfert et s’accroche à la chaîne polypeptidique en construction (cf schéma).
La protéine, copie fidèle de la séquence de l’ADN se construit codon par codon au rythme d’une vingtaine par seconde. Une fois libéré de son message, l’ARN de transfert retourne capturer un nouvel acide aminé.
Lorsque la synthèse est terminée, les deux sous-unités ribosomiales se séparent, la protéine se libère et se replie sur elle-même en prenant la forme correspondant à ses affinités chimiques.
A son tour la protéine peut interagir avec le noyau pour interrompre l'activité nucléique par exemple.
Noter que pour une cellule nerveuse on ne parle pas de messager mais de neurotransmetteur, telle la dopamine qui est une molécule spécifique aux neurones.
Chacun de nous connait par exemple les bienfaits de l’aspirine.
Pourquoi agit-elle ?
Lorsqu’il y a un dérèglement métabolique, nous venons de voir que les cellules envoient des messages.
Parmi ceux-ci elles peuvent demander la synthèse de prostaglandine afin de provoquer la fièvre, une inflammation ou manifester des douleurs.
Elles peuvent également synthétiser de la thromboxane pour former des caillots ou de la prostacycline lors d’une irritation de l’estomac par exemple.
C’est pour supprimer ces malaises ou plus précisément pour bloquer les trois types de messages à l’origine de ces symptômes que l’aspirine fut inventée.
Si les molécules de protéines diffèrent naturellement les unes des autres par leur séquence d’acides aminés, leurs fonctions diffèrent cruciallement de leur forme.
Il subsiste une grande incertitude à propos du mécanisme qui donne leur forme aux molécules; pour toutes les molécules sauf les plus petites, il semble y avoir un grand nombre d’étapes de pliures intermédiaires qui demeurent inactives.
Une explication serait de considérer que le pliage est partiellement déterminé par l’ordre dans lequel les acides aminés sont traduits dans les ribosomes, mais il existe des preuves que d’autres protéines (les chaperons) assistent à ce processus.
La réponse est incertaine et il pourrait ne pas y avoir de règle générale.
Quatre manières de décrire la structure d'une protéine La complexité du sujet m'oblige à définir quelques notions de base utilisées en biologie moléculaire pour représenter les moléculaires et leur activité biologique.
La structure primaire est la simple séquence illustrant l'enchaînement des acides aminés. Elle est intéressante pour décrire une molécule mais insuffisante pour définir une activité enzymatique.
Par exemple, un peptide présentant une séquence d'acides aminés particulière présente une activité biologique.
Si on lui ajoute peu de détergent on perturbe sa structure spatiale et on détruit son activité biologique, phénomène qui ne peut apparaître dans ce schéma.
La structure secondaire est un premier niveau d'agencement dans l'espace tenant compte des liaisons hydrogène.
Elle met généralement en évidence certaines suites d'acides aminés qui se replient sous forme d'hélice alpha ou de feuillet béta comme indiqué dans le schéma.
La structure tertiaire est un second niveau de structure tridimensionnel plus global insistant sur l'agencement des structures secondaires entre elles.
Celles-ci forment un ensemble compact qui permet de définir les sites actifs pour les enzymes. La structure quaternaire est l'assemblage de plusieurs sous-unités distinctes, formant un ensemble tel qu'ils existe réellement in vivo.
Les "tire-bouchons" que l'on observe sur l'image de droite représentant la ribonucléase P sont des hélices. Il en existe de plusieurs natures mais globalement elles conservent cette forme.
Elle n'est pas aléatoire, elle est déterminée par des interactions internes de types hydrophobes. Les tracés plus fins en "fils de fer" sont des structures plus simples de types feuillets (beta le plus souvent) et ou coudes (pour passer d'un feuillet à un autre ou vers une hélice,...).
Ces représentations sont obtenues par calculs mathématiques et modélisation RMN. Ces calculs sont réalisés dans l'air ou dans l'eau et négligent de nombreux paramètres (force hydrophobe, sels, interactions avec le milieu, ....).
D'autre part il s'agit d'une image statique alors qu'en réalité la molécule est une structure dynamique. C'est un peu comme si on isolait une image d'un film; cela ne reflète pas la réalité de la séquence.
Paradoxalement, la synthèse des acides nucléiques (les bases de l'ADN) n'est possible qu'en présences d'enzymes, de protéines qui assurent une fonction de catalyseur. Il est donc difficile de savoir qui de l'ADN ou de l'ARN est le premier.
Nous en reparlerons. En analysant les protéines, bases de l'édifice de la cellule et chevilles ouvrières du vivant (elles forment les parois, les enzymes, les anticorps, etc), on découvre de longues chaînes moléculaires fabriquées par la cellule.
Le nombre d'acides aminés possible est lié à la combinaison des bases simples C, G, A, T ou U. Il existe en théorie 43, soit 64 acides aminés.
Dans la réalité nous découvrons 20 acides aminés fondamentaux. Le plus simple est la méthionine (Met) seule combinaison de bases ou codon (AUG), jusqu'à l’arginine (Agr) et la leucine (Leu) formées de 6 codons.
Les acides aminés Ci-dessous les 20 acides aminés participants aux réactions biochimiques. Cliquer sur l'image pour visualiser l'ensemble du tableau.
Les 64 codons du code génétique. Le codage de l'ADN est universel mais on rencontre chez les mitochondries des déviations par rapport à ce code.
Ainsi les gènes mitochondriaux humains et ceux de la drosophile codent UGA pour la tryptophane, AUA pour la méthionine.
Les mitochondries des saccharomyces codent CUA pour la thréonine.
Tous les acides aminés ont une fonction acide (COOH) et amine (NH2) plus un radical, une molécule variable qui les différenciera.
Ainsi donc, juxtaposés dans un ordre bien précis, nos 4 lettres qui forment l'alphabet de la vie nous donnent accès aux processus d'auto-réplication et de contrôle (dont la catalyse) des organismes vivants.
C'est la mutation de cette structure simple qui aboutit au bout de 4.5 milliards d'années au premier ancêtre de l'homme.
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