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C Formez des paires de bases d'ADN par tour


Comment l'ADN-C a-t-il 9,33 paires de bases par tour ? Le nombre de paires de bases doit être quantifié. Comment cela peut-il être un nombre décimal ?


Il n'est pas nécessaire que l'ADN ait un nombre entier de paires de bases par tour. Comme expérience de pensée, disons que vous avez une hélice d'ADNdb avec 10 paires de bases qui complète un tour hélicoïdal (c'est-à-dire qu'elle a 10 pb/tour). Maintenant, tordez cet ADN le long de son axe pour qu'il fasse 1,5 tour. Il n'y a encore que 10 pb et donc 6,67 pb/tour (ce que vous devriez remarquer est un nombre décimal).


Paires de bases d'ADN de forme C par tour - Biologie

Comme dans le cas de la structure des protéines (chapitres 6 et 7), il est parfois utile de décrire la structure des acides nucléiques en termes de niveaux hiérarchiques de complexité (primaire, secondaire, tertiaire). La structure primaire d'un acide nucléique est sa structure covalente et sa séquence nucléotidique. Toute structure régulière et stable prise par certains ou tous les nucléotides d'un acide nucléique peut être appelée structure secondaire. Toutes les structures considérées dans les pages suivantes de ce chapitre relèvent de la structure secondaire. Le repliement complexe de gros chromosomes au sein du nucléoïde bactérien et de la chromatine eucaryote est généralement considéré comme une structure tertiaire, ce qui est examiné au chapitre 23.

L'ADN stocke l'information génétique

Miescher et bien d'autres soupçonnaient que la nucléine ou l'acide nucléique étaient associés d'une manière ou d'une autre à l'hérédité cellulaire, mais la première preuve directe que l'ADN est porteur d'informations génétiques est venue en 1944 grâce à une découverte faite par Oswald T. Avery, Colin MacLeod et Maclyn. McCarty. Ces chercheurs ont découvert que l'ADN extrait d'une souche virulente (causant une maladie) de la bactérie Streptococcus pneumoniae, également connue sous le nom de pneumocoque, transformait génétiquement une souche non virulente de cet organisme en une forme virulente (Fig. 12-12). Avery et ses collègues ont conclu que l'ADN extrait de la souche virulente portait le message génétique héréditaire de la virulence. Tout le monde n'a pas accepté ces conclusions, car des traces d'impuretés protéiques présentes dans l'ADN auraient pu être le véritable vecteur de l'information génétique. Cette possibilité a été rapidement éliminée par la découverte que le traitement de l'ADN avec des enzymes protéolytiques ne détruisait pas l'activité de transformation, mais le traitement avec des désoxyribonucléases (enzymes hydrolysant l'ADN) l'a fait.

Une deuxième expérience importante a fourni des preuves indépendantes que l'ADN porte des informations génétiques. En 1952, Alfred D. Hershey et Martha Chase ont utilisé du phosphore radioactif ( 32 P) et le soufre radioactif ( 35 S) des traceurs pour montrer que lorsque le virus bactérien (bactériophage) T2 infecte sa cellule hôte, E. coli, c'est l'ADN contenant du phosphore de la particule virale, et non la protéine contenant du soufre de l'enveloppe virale, qui pénètre réellement dans le cellule hôte et fournit l'information génétique pour la réplication virale (Fig. 12-13). Ces premières expériences importantes et de nombreuses autres preuves ont montré que l'ADN est certainement le composant chromosomique exclusif portant l'information génétique des cellules vivantes.

12-12 L'expérience Avery-MacLeod-McCarty. Lorsqu'elle est injectée à des souris, la souche encapsulée de pneumocoque (une) est mortelle, alors que la souche non encapsulée (b) est inoffensif, tout comme la souche encapsulée tuée par la chaleur (c). Des recherches antérieures du bactériologiste Frederick Griffith avaient montré que l'ajout de bactéries virulentes tuées par la chaleur (qui seules sont inoffensives pour les souris) à une souche vivante non virulente transformait définitivement cette dernière en bactéries létales, virulentes et encapsulées. (ré). Il a conclu qu'un facteur de transformation dans les bactéries virulentes tuées par la chaleur avait pénétré les bactéries non virulentes vivantes et les avait rendues virulentes et encapsulées. Avery et ses collègues ont identifié le facteur de transformation de Griffith comme étant de l'ADN. (e) Ils ont extrait l'ADN de pneumocoques virulents tués par la chaleur, en éliminant la protéine aussi complètement que possible, et ont ajouté cet ADN à des bactéries non virulentes. Les pneumocoques non virulents ont été définitivement transformés en une souche virulente. L'ADN a évidemment gagné l'entrée dans les bactéries non virulentes, et les gènes de virulence et de formation de capsules se sont incorporés dans les chromosomes des bactéries non virulentes. Toutes les générations suivantes de ces bactéries étaient donc virulentes et encapsulées.

Les ADN ont des compositions de base distinctives

1. La composition en bases de l'ADN varie généralement d'une espèce à l'autre.

2. Les échantillons d'ADN isolés de différents tissus de la même espèce ont la même composition de base.

3. La composition de base de l'ADN d'une espèce donnée ne change pas avec l'âge, l'état nutritionnel ou l'évolution de l'environnement de l'organisme.

4. Dans tous les ADN, quelle que soit l'espèce, le nombre de résidus adénine est égal au nombre de résidus thymine (c'est-à-dire A = T), et le nombre de résidus guanine est égal au nombre de résidus cytosine (G = C). De ces relations, il s'ensuit que la somme des résidus purine est égale à la somme des résidus pyrimidine, c'est-à-dire A + G = T + C.

Ces relations quantitatives, parfois appelées « règles de Chargaff », ont été confirmées par de nombreux chercheurs ultérieurs. Ils ont joué un rôle clé dans l'établissement de la structure tridimensionnelle de l'ADN et ont fourni des indices sur la façon dont l'information génétique est codée dans l'ADN et transmise d'une génération à l'autre.

12-13 Résumé de l'expérience Hershey-Chase. Deux lots de particules de bactériophages marqués isotopiquement ont été préparés. L'un était étiqueté avec 32 P dans les groupes phosphate de l'ADN et l'autre avec 35 S dans les acides aminés soufrés des enveloppes protéiques (capsides). (Notez que l'ADN ne contient pas de soufre et que la protéine virale ne contient pas de phosphore.) Les deux lots de phages marqués ont ensuite été ajoutés à des suspensions séparées de bactéries non marquées. Chaque suspension de cellules infectées par le phage a été agitée dans un mélangeur pour cisailler les capsides virales des bactéries. Les bactéries et les enveloppes virales vides (fantômes) ont ensuite été séparées par centrifugation. Les cellules infectées par le 32 Les phages marqués au P se sont avérés contenir 32 P, indiquant que l'ADN viral marqué était entré dans les cellules et que les fantômes viraux ne contenaient aucune radioactivité. Les cellules infectées par 35 Les phages marqués au S se sont avérés n'avoir aucune radioactivité après le traitement au mélangeur, mais les fantômes viraux contenaient 35 Des particules de virus S. Progeny ont été produites dans les deux lots de bactéries quelque temps après le retrait des enveloppes virales, ainsi le message génétique pour leur réplication avait été introduit par l'ADN viral, et non par la protéine virale .

L'ADN est une double hélice

12-14 Le diagramme de diffraction des rayons X de l'ADN. Les taches formant une croix au centre désignent une structure hélicoïdale. Les bandes épaisses en haut et en bas correspondent aux bases récurrentes.

En 1953, Watson et Crick ont ​​postulé un modèle tridimensionnel de la structure de l'ADN qui tenait compte de toutes les données disponibles (Fig. 12-15). Il se compose de deux chaînes d'ADN hélicoïdales enroulées autour du même axe pour former une double hélice droite (voir Encadré 7-1 pour une explication du sens droit ou gauche d'une structure hélicoïdale). Les squelettes hydrophiles des groupes désoxyribose et phosphates chargés négativement se trouvent à l'extérieur de la double hélice, face à l'eau environnante. Les bases puriques et pyrimidiques des deux brins sont empilées à l'intérieur de la double hélice, avec leurs structures annulaires hydrophobes et presque planes très rapprochées et perpendiculaires au grand axe de l'hélice. La relation spatiale entre ces brins crée un sillon majeur et un sillon mineur entre les deux brins. Chaque base d'un brin est appariée dans le même plan avec une base de l'autre brin. Watson et Crick ont ​​découvert que les paires de bases à liaison hydrogène illustrées à la figure 12-11 sont celles qui s'intègrent le mieux dans la structure, ce qui justifie les règles de Chargaff. Il est important de noter que trois liaisons hydrogène peuvent se former entre G et C, symbolisées G≡C, mais seulement deux peuvent se former entre A et T, symbolisées A=T. D'autres appariements de bases ont tendance (à des degrés divers) à déstabiliser la structure en double hélice.

12-15 Le modèle Watson-Crick pour la structure de l'ADN. Le modèle original proposait qu'il y ait 10 paires de bases ou 3,4 nm par tour d'hélice. Des mesures ultérieures ont montré qu'il y a 10,5 paires de bases ou 3,6 nm par tour.(une) Représentation schématique, montrant les dimensions de l'hélice. (b) Modèle linéaire montrant la colonne vertébrale et l'empilement des bases. (c) Modèle de remplissage d'espace.

Pour tenir compte des périodicités observées dans le diagramme de diffraction des rayons X, Watson et Crick ont ​​utilisé des modèles moléculaires pour montrer que les bases empilées verticalement à l'intérieur de la double hélice seraient distantes de 0,34 nm et que la distance de répétition secondaire d'environ 3,4 nm pourrait être prise en compte. par la présence de 10 (maintenant 10,5) résidus nucléotidiques dans chaque tour complet de la double hélice (Fig. 12-15a). Comme on peut le voir sur la figure 12-16, les deux chaînes polynucléotidiques antiparallèles de l'ADN en double hélice ne sont identiques ni dans la séquence de bases ni dans la composition. Au lieu de cela, ils sont complémentaires les uns aux autres. Partout où l'adénine apparaît dans une chaîne, la thymine se trouve dans l'autre de la même manière, partout où la guanine se trouve dans une chaîne, la cytosine se trouve dans l'autre.

La double hélice ou duplex d'ADN est maintenue ensemble par deux ensembles de forces, comme décrit précédemment : la liaison hydrogène entre les paires de bases complémentaires (Fig. 12-11) et les interactions d'empilement de bases. La spécificité qui maintient une séquence de bases donnée dans chaque brin d'ADN est entièrement due à la liaison hydrogène entre les paires de bases. Les interactions d'empilement de bases, qui sont en grande partie non spécifiques en ce qui concerne l'identité des bases empilées, apportent la contribution majeure à la stabilité de la double hélice.

Les caractéristiques importantes du modèle à double hélice de la structure de l'ADN sont étayées par de nombreuses preuves chimiques et biologiques. De plus, le modèle a immédiatement suggéré un mécanisme de transmission de l'information génétique. La caractéristique essentielle du modèle est la complémentarité des deux brins d'ADN. Faire une copie de cette structure (réplication) pourrait logiquement procéder en (1) séparant les deux brins et (2) en synthétisant un brin complémentaire pour chacun en joignant les nucléotides dans une séquence spécifiée par les règles d'appariement des bases énoncées ci-dessus. Chaque brin préexistant pourrait fonctionner comme un modèle pour guider la synthèse du brin complémentaire (Fig. 12-17). Ces attentes ont été confirmées expérimentalement et cette découverte a révolutionné notre compréhension du métabolisme de l'ADN.

Figure 12-16 Dessin schématique de brins d'ADN antiparallèles complémentaires suivant les règles d'appariement proposées par Watson et Crick. Les brins antiparallèles appariés diffèrent par leur composition de base : le brin gauche a la composition A3 T2 gje C3 le droit, un2 T3 g3 Cje. Ils diffèrent également par leur séquence lorsque chaque chaîne est lue dans le sens 5'→ 3'. Notez les équivalences de bases : A = T et G≡ C. Dans cette illustration et les suivantes, les liaisons hydrogène entre les paires de bases sont souvent représentées par des ensembles de lignes bleues.

12-17 Réplication de l'ADN comme suggéré par Watson et Crick. Les brins parents se séparent et chacun forme la matrice pour la biosynthèse d'un brin fille complémentaire (en rouge).

La structure Watson-Crick est également appelée ADN de forme B. La forme B est la structure la plus stable pour une molécule d'ADN à séquence aléatoire dans des conditions physiologiques, et est donc le point de référence standard dans toute étude des propriétés de l'ADN. «Les variantes structurelles de l'ADN Iwo qui ont été bien caractérisées dans les structures cristallines sont les formes A et Z (Fig. 12-18). La forme A est privilégiée dans de nombreuses solutions relativement dépourvues d'eau. L'ADN est toujours disposé en double hélice droite, mais la montée par paire de bases est de 0,23 nm et le nombre de paires de bases par tour d'hélice est de 11, par rapport à la montée de 0,34 nm et de 10,5 paires de bases par tour trouvée dans B- ADN. Pour une molécule d'ADN donnée, la forme A sera plus courte et aura un diamètre plus grand que la forme B. Les réactifs utilisés pour favoriser la cristallisation de l'ADN ont tendance à le déshydrater, ce qui conduit de nombreux ADN à cristalliser sous la forme A.

L'ADN en forme de Z est un écart plus radical par rapport à la structure B, la distinction la plus évidente étant la rotation hélicoïdale gauche. Il y a 12 paires de bases par tour hélicoïdal, avec une élévation de 0,38 nm par paire de bases. L'épine dorsale de l'ADN prend une apparence en zigzag. Certaines séquences nucléotidiques se replient plus facilement que d'autres en hélices Z gauches. Des exemples marquants sont les séquences dans lesquelles les pyrimidines alternent avec les purines, en particulier en alternance C et G ou 5-méthyl-C et G. On ne sait pas si l'ADN de forme A se produit réellement dans les cellules, mais il existe des preuves de certains courts tronçons (tracts) de Z -ADN chez les procaryotes et les eucaryotes. Ces faisceaux d'ADN-Z pourraient jouer un rôle encore non défini dans la régulation de l'expression de certains gènes ou dans la recombinaison génétique.

Figure 12-19 Un modèle pour la courbure de l'ADN produit par des faisceaux poly(A). Le coude ici est produit par quatre (dA)5 étendues séparées par cinq paires de bases. Les bases adénines sont représentées en rouge.


Quelles sont les paires de bases dans l'ADN et l'ARN ?

Les paires de bases dans l'ADN sont l'adénine à la thymine et la guanine à la cytosine. Dans l'ARN, ce sont l'adénine en uracile et la guanine en cytosine.

Une paire de bases est constituée de deux nucléotides. Les nucléotides, situés sur des brins opposés d'ADN ou d'ARN, sont attirés les uns vers les autres par une liaison hydrogène. Ces liaisons maintiennent le brin ensemble dans une formation en double hélice. La double structure est une redondance qui agit comme un système de sauvegarde pour stocker les informations génétiques.

Les paires de bases facilitent la transcription, qui est le processus par lequel l'information génétique codée dans l'ADN est transférée à l'ARN. L'information est transportée dans un seul des deux brins d'ADN, appelé brin codant. Chaque nucléotide du brin codant a un nucléotide complémentaire dans l'autre brin, appelé brin matrice.

Les paires Watson-Crick sont les paires de bases d'ADN et d'ARN standard. Dans l'ADN, l'adénine se lie à la thymine tandis que la guanine se lie à la cytosine. Les mêmes paires s'appliquent à l'ARN, sauf que l'uracile remplace la thymine. Les molécules d'uracile et de thymine ont une forme très similaire, ce qui leur permet de former les mêmes types de liaisons hydrogène avec l'adénine.

Il existe cependant des paires de liaisons alternées qui résultent d'autres liaisons hydrogène. Dans une paire de bases oscillantes, la guanine se lie à l'uracile, l'hypoxanthine se lie à l'uracile, l'hypoxanthine se lie à l'adénine et l'hypoxanthine se lie à la cytosine. Une paire de bases Hoogsteen est une autre formation alternative. Hoogsteens et wobbles se produisent le plus souvent dans l'ARN et sont très complexes.


A la découverte de la double hélice

Au début des années 1950, des preuves considérables s'étaient accumulées indiquant que l'ADN était le matériel génétique des cellules, et maintenant la course était lancée pour découvrir sa structure tridimensionnelle. À cette époque, le biochimiste autrichien Erwin Chargaff [1] (1905-2002) ont examiné le contenu de ADN chez différentes espèces et a découvert que l'adénine, la thymine, la guanine et la cytosine ne se trouvaient pas en quantités égales et qu'elles variaient d'une espèce à l'autre, mais pas entre les individus d'une même espèce. Il a découvert que la quantité d'adénine était très proche d'égaler la quantité de thymine et que la quantité de cytosine était très proche d'égaler la quantité de guanine, ou A = T et G = C. Ces relations sont également appelées Les règles de Chargaff.

Figure 4. Le diagramme de diffraction des rayons X de l'ADN montre sa nature hélicoïdale. (crédit : National Institutes of Health)

D'autres scientifiques exploraient également activement ce domaine au milieu du 20e siècle. En 1952, le scientifique américain Linus Pauling (1901-1994) était le premier chimiste structurel au monde et le favori pour résoudre la structure de l'ADN. Pauling avait découvert plus tôt la structure des hélices de la protéine, en utilisant Diffraction des rayons X, et, sur la base d'images de diffraction aux rayons X de l'ADN réalisées dans son laboratoire, il a proposé un modèle d'ADN à trois brins. [2] Parallèlement, la chercheuse britannique Rosalind Franklin (1920-1958) et son étudiant diplômé R.G. Oison utilisaient également la diffraction des rayons X pour comprendre la structure de l'ADN (figure 4). C'est l'expertise scientifique de Franklin qui a abouti à la production d'images de diffraction des rayons X de l'ADN plus bien définies qui montreraient clairement la structure globale en double hélice de l'ADN.

James Watson (1928-), un scientifique américain, et Francis Crick (1916-2004), un scientifique britannique, travaillaient ensemble dans les années 1950 pour découvrir la structure de l'ADN. Ils ont utilisé Les règles de Chargaff et Franklin et Diffraction des rayons X de Wilkins images de fibres d'ADN pour reconstituer l'appariement purine-pyrimidine de la molécule d'ADN en double hélice (Figure 5). En avril 1953, Watson et Crick ont publié leur modèle de l'ADN double hélice dans La nature. [3] Le même numéro comprenait en plus des articles de Wilkins et de ses collègues, [4] [5] chacun décrivant différents aspects de la structure moléculaire de l'ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins ont reçu le prix Nobel de physiologie et médecine. Malheureusement, à ce moment-là, Franklin était décédé et les prix Nobel de l'époque n'étaient pas décernés à titre posthume. Les travaux se sont toutefois poursuivis sur l'apprentissage de la structure de l'ADN. En 1973, Alexandre Riche (1924-2015) et ses collègues ont pu analyser des cristaux d'ADN pour confirmer et élucider davantage la structure de l'ADN. [6]

Figure 5. En 1953, James Watson et Francis Crick ont ​​construit ce modèle de la structure de l'ADN, présenté ici au Science Museum de Londres.

Pensez-y


Acide nucléique : 260 nm absorbance : (dans une cuvette de 1 cm)
Facteur de dilution:
Concentration d'origine : μg/μl

Masse (quantité d'ADNdb) : μg
Volume : μl
Concentration de paires de bases : mM

Description de l'outil

Vous pouvez utiliser le calculateur d'ADN pour :

  • Calculer les paramètres physiques et chimiques de base d'une molécule d'acide nucléique.
  • Calculer la masse ou le volume requis pour préparer une solution d'acide nucléique de concentration molaire spécifiée. Inversement, vous pouvez calculer la molarité d'une solution d'acide nucléique préparée en en dissolvant une certaine quantité dans un volume spécifié d'un solvant.
  • Calculer la concentration d'acide nucléique à partir de l'absorbance et vice versa.
  • Calculer la molarité des paires de bases des solutions d'ADNdb.

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Calculatrice de conversion de longueur d'ADN

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Formule:

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ADN : C'est ce qu'on appelle l'acide désoxyribonucléique qui est un type de molécule qui code l'information génétique. Il s'agit d'une structure double brin reliée par de faibles liaisons hydrogène entre les paires de bases de nucléotides. L'ADN humain a environ 3 milliards de paires de bases.

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Paires de bases d'ADN de forme C par tour - Biologie


L'acide désoxyribonucléique (ADN) EST l'information génétique de la plupart des organismes vivants (a contrario, certains virus, appelés rétrovirus, utilisent l'acide ribonucléique comme information génétique).
- L'ADN peut être copié sur des générations de cellules : réplication de l'ADN
- L'ADN peut être traduit en protéines : transcription de l'ADN en ARN, ensuite traduit en protéines,
- L'ADN peut être réparé en cas de besoin : Réparation de l'ADN .
Les acides ribonucléiques (ARN) sont décrits dans un autre chapitre (ARNm, r-ARN, t-ARN.)

- L'ADN est un polymère, constitué d'unités appelées nucléotides (ou mononucléotides).
- Les nucléotides ont également d'autres fonctions : (transporteurs d'énergie : ATP, GTP, respiration cellulaire : NAD, FAD, transduction du signal : coenzymes AMP cycliques : CoA, vitamines UDP : nicotinamide mononucléotide, Vit B2).

En utilisant la nomenclature des protéines, on pourrait parler en termes de structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires de la molécule :

I Structure primaire de la molécule : squelette covalent et bases mises à part

Un nucléoside est composé d'un sucre + une base azotée.
Un nucléotide est composé d'un phosphate + d'un sucre + d'une base azotée. Dans l'ADN, le nucléotide est un désoxyribonucléotide (dans l'ARN, le nucléotide est un ribonucléotide).

I-1 Acide phosphorique


I-2 Sucre :

Le désoxyribose, qui est un pentose cyclique (sucre à 5 carbones). Remarque : le sucre dans l'ARN est un ribose. Les carbones dans le sucre sont notés de 1' à 5'. Un atome d'azote de la base azotée se lie à C1' (liaison glycosidique) et le phosphate se lie à C5' (liaison ester) pour former le nucléotide. Le nucléotide est donc : phosphate - C5' sucre C1' - base.


I-3 Bases azotées :

Les hétérocycles aromatiques sont les purines et les pyrimidines.
- Purines : adénine (A) et guanine (G).
- Pyrimidines : cytosine (C) et thymine (T) (Remarque : la thymine est remplacée par l'uracyle (U) dans l'ARN).

Remarque : d'autres bases azotées existent, en particulier les bases méthylées dérivées de la méthylation précitée des bases ont un rôle fonctionnel (voir chapitre ad hoc).


Glossaire:
- Noms nucléosidiques : désoxyribonucléosides dans l'ADN : désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxycytidine, désoxythymidine dans l'ADN (ribonucléosides dans l'ARN : adénosine, guanosine, cytidine, uridine).
- Noms nucléotidiques : désoxyribonucléotides dans l'ADN : acide désoxyadénylique, acide désoxyguanylique, acide désoxycytidylique, acide désoxythymidylique (ribonucléotides dans l'ARN : acide adénylique, acide guanylique, acide cytidylique, acide uridylique).


II Structures secondaire et tertiaire de la molécule - La conformation tridimensionnelle de l'ADN

II.1 Dinucléotides

Les dinucléotides se forment à partir d'un lien phosphodiester entre 2 mononucléotides. Le phosphate d'un mononucléotide (en C5' de son sucre) étant lié au C3' du sucre du mononucléotide précédent. Ensuite, nous commençons par un phosphate, un sucre 5' (+base) et le 3' de ce sucre, lié à un deuxième phosphate - sucre 5', dont 3' est libre pour l'étape suivante. Le lien -et l'orientation de la molécule- est donc 5' -> 3'. Les polynucléotides sont constitués de l'addition successive de monomères dans une configuration générale 5' -> 3'. Le squelette de la molécule est constitué d'une succession de phosphate-sucre (nucléotide n) - phosphate-sucre (nucléotide n+1), et ainsi de suite, liés de manière covalente, les bases étant écartées.


II.2 Molécule d'ADN

L'ADN est composé de deux ("ADN duplex") dextrogyre (comme une vis à droite) chaînes ou brins hélicoïdaux ("double hélice"), enroulés autour d'un axe pour former une double hélice de 20A° de diamètre. Les deux brins sont antiparallèles (id est : leurs orientations 5'->3' sont de sens opposé). L'aspect général du polymère montre une périodicité de 3,4 A°, correspondant à la distance entre 2 bases, et une autre de 34 A°, correspondant à un tour d'hélice (et aussi à 10 paires de bases).


II.2.1 Bornes hydrogène : appariement des bases

Les bases (hydrophobes) sont empilées à l'intérieur, leurs plans sont perpendiculaires à l'axe de la double hélice. L'extérieur (phosphate et sucre) est hydrophile.
Des liaisons d'hydrogène entre les bases d'un brin et celle de l'autre brin maintiennent les deux brins ensemble (lignes pointillées sur le dessin).
Une purine sur un brin doit se lier à une pyrimidine sur l'autre brin. En corollaire, le nombre de résidus purines est égal au nombre de résidus pyrimidine.
A se lie à T (avec 2 liaisons hydrogène).
G se lie à C (avec 3 liaisons hydrogène : liaison plus stable : 5,5 kcal vs 3,5 kcal).
Remarque : le contenu en A dans l'ADN est donc égal au contenu en T, et le contenu en G est égal au contenu en C.
Cette stricte correspondance (A<->T et G<->C) rend les 2 brins complémentaires. L'un est le modèle de l'autre, et réciproquement : cette propriété permettra une réplication exacte (réplication semi-conservative : un brin -le modèle- est conservé, un autre est nouvellement synthétisé, idem pour le deuxième brin, conservé, permettant à un autre de être nouvellement synthétisés voir chapitre ad hoc).


Remarques:
Les limites de l'hydrogène dans l'appariement des bases sont parfois différentes du modèle de Watson et Crick décrit ci-dessus, utilisant l'atome N7 de la purine au lieu du N1 (modèle Hoogsteen).



II.2.2 Grand sillon et petit sillon

La double hélice est une molécule assez rigide et visqueuse d'une immense longueur et d'un petit diamètre. Il présente un sillon majeur et un sillon mineur.
Le sillon principal est profond et large, le sillon mineur est étroit et peu profond.
Les interactions ADN-protéine sont des processus majeurs/essentiels de la vie cellulaire (activation ou répression de la transcription, réplication et réparation de l'ADN).
Les protéines se lient au fond des sillons de l'ADN, en utilisant une liaison spécifique : liaisons hydrogène et liaison non spécifique : interactions de van der Waals, interactions électrostatiques généralisées les protéines reconnaissent les donneurs de liaison H, les accepteurs de liaison H, les groupes métyle (hydrophobes), le dernier étant exclusivement dans le sillon majeur il y a 4 schémas de reconnaissance possibles avec le sillon majeur, et seulement 2 avec le sillon mineur (voir iconographie).
- Certaines protéines se lient à l'ADN dans son sillon principal, d'autres dans le sillon mineur, et certaines ont besoin de se lier aux deux.


Remarques:
- Les 2 brins sont appelés brins "plus" et "moins", ou brins "directs" et "inverses". A un endroit donné où un brin (n'importe lequel des deux) porte des séquences codantes, il est peu probable (mais pas impossible) que l'autre brin porte également des séquences codantes.
- L'ADN est ionisé in vivo et se comporte comme un polyanion.

La double hélice telle que décrite ci-dessus est la forme "B" de l'ADN, c'est la forme la plus couramment trouvée in vivo, mais d'autres formes existent in vivo (voir ci-dessous) ou in vitro. La forme "A" ressemble à l'ADN-B mais elle est moins hydratée que l'ADN-B, la forme "A" n'est pas trouvée in vivo.

II.3 ADN non B

L'ADN est une molécule qui bouge, s'agite, fait de la gymnastique, danse. Les structures citées ci-dessous se sont avérées avoir des rôles fonctionnels, d'autre part, elles peuvent favoriser des cassures d'ADN et d'autres délétions, amplifications, recombinaisons et mutations.

Glossaire:
Palindromes : ce sont des noms qui se lisent de la même manière en avant et en arrière (par exemple, "DNA LAND"). L'ADN joue avec les palindromes : voir ci-dessous).

II.3.1 ADN-Z

- La forme Z est une double hélice lévogyre (gaucher) avec une conformation en zigzag de l'épine dorsale (moins lisse que l'ADN-B). Un seul sillon est observé, ressemblant au petit sillon, les paires de bases étant décalées sur le côté, loin de l'axe. Les bases (qui forment le sillon principal - près de l'axe - dans l'ADN-B) sont ici à la surface externe. Les phosphates sont plus proches que dans l'ADN-B. L'ADN-Z ne peut pas former de nucléosomes.
- Une teneur élevée en G-C favorise la conformation Z. La méthylation de la cytosine et les molécules qui peuvent être présentes in vivo telles que la spermine et la spermidine peuvent stabiliser la conformation Z.
- Les séquences d'ADN peuvent basculer d'une forme B à une forme Z et vice versa : l'ADN-Z est une forme transitoire in vivo.
- La formation d'ADN-Z se produit pendant la transcription des gènes, au niveau des sites de démarrage de la transcription à proximité des promoteurs des gènes activement transcrits. Lors de la transcription, le mouvement de l'ARN polymérase induit un surenroulement négatif en amont et un surenroulement positif en aval du site de transcription. À la fin de la transcription, la topoisomérase détend l'ADN en conformation B.
- Certaines protéines se lient à l'ADN-Z, en particulier l'adénosine désaminase à ARN double brin (ADAR1), une enzyme d'édition de l'ARN nucléaire de liaison à l'ADN-Z, cette enzyme convertit l'adénine en inosine dans le pré-ARNm. Ensuite, les ribosomes interpréteront l'inosine comme la guanine, et la protéine codée avec cette modification épigénétique sera différente (voir chapitre sur l'épigénétique).

Remarques:
- Les anticorps ADN-Z sont présents dans le lupus érythémateux et d'autres maladies auto-immunes.
- L'ARN double brin (ARNdb) peut adopter une conformation Z.

II.3.2 ADN cruciforme et ADN en épingle à cheveux

- Les jonctions Holliday (formées lors de la recombinaison) sont des structures cruciformes. Les répétitions inversées (ou miroir) (palindromes) d'étirements d'ADN polypurine/polypyrimidine peuvent également former des structures cruciformes ou en épingle à cheveux par appariement intra-brin.
- Des répétitions palindromiques riches en AT sont trouvées aux points de rupture du t(1122)(q23q11), la seule translocation constitutionnelle réciproque récurrente connue.
- Les nucléases se lient et clivent les jonctions de vacances après recombinaison. D'autres protéines bien connues telles que les protéines HMG et MLL (pour une lecture plus approfondie, voir : MLL) peuvent également se lier à l'ADN cruciforme.



II.3.3 ADN-H ou ADN triplex

- Les répétitions inversées (palindromes) de segments d'ADN polypurine/polypyrimidine peuvent former des structures triplex (triple hélice). Un ADN triple brin et un ADN simple brin sont formés.
- L'ADN-H peut avoir un rôle dans la régulation fonctionnelle de l'expression des gènes ainsi que sur les ARN (par exemple la répression de la transcription).


II.3.4 G4-ADN

- ADN G4 ou ADN quadruplex : repliement de la séquence riche en GC double brin sur elle-même formant un appariement de bases de Hoogsteen entre 4 guanines ("G4"), une structure très stable. Souvent trouvé à proximité des promoteurs des gènes et au niveau des télomères.
- Rôle dans la méiose et la recombinaison peuvent être des éléments régulateurs.
- Les hélicases de la famille RecQ sont capables de dérouler l'ADN G4 (par exemple, BLM, le gène muté dans le syndrome de Bloom (pour en savoir plus, voir : syndrome de Bloom)).



III Structure quaternaire de la molécule - Chromatine

L'ADN est associé à des protéines : histones et protéines non histones, pour former la chromatine. L'ADN dans son ensemble est acide (chargé négativement) et se lie à des protéines basiques (chargées positivement) appelées histones : voir chapitre Chromatine
Il y a 3 x 10 9 paires de nucléotides dans le génome haploïde humain représentant environ 30 000 gènes dispersés sur 23 chromosomes pour un ensemble haploïde.

IV Divers

IV.1 ADN et mitochondries

- L'ADN se trouve dans le noyau de la cellule, mais une petite quantité est également présente dans les mitochondries.
- Les mitochondries proviendraient d'archéobactéries devenues endosymbiotiques des cellules eucaryotes.
- Leur code génétique est différent du code dit "universel" (UGA, AUA, AGA, AGG : respectivement STOP, Ile, Arg, Arg dans le code universel, et Trp, Met, STOP, STOP dans les mitochondries des mammifères, et other meanings in mitochondria of other spieces).
- The number of DNA copies in one given mitochondria is variable.
- Mitochondrial DNA is circular, with a heavy and a light chains, has no introns, not any non-coding sequence.
- Genes from the mitochondria code for proteins involved in electron transport, ribosomic RNAs (rRNAs), and transfer RNAs (tRNAs).
- Each DNA strand is transcribed, then cut into the mRNAs, but also into rRNAs and tRNAs.

Note: the mitochondria also use proteins imported from the cytoplasm of the cell (and coded by the nucleus) so far, proteins from the mitochondria are not exported into the cytoplasm except in case of apoptosis.


Watson and Crick model of DNA:

In April 1953, Watson and Crick published a paper on the three-dimensional structure of DNA which was the first report explained the molecular structure of DNA.

DNA is a helical structure in which two helices twisted around one another on the same axis in a right-handed manner.

The 3’ end of the DNA has the hydroxyl group while the 5’ end of it has the phosphate group.

Both strands are anti-parallel to each other in which the 5′ end of one strand faces the 3’ end of another strand and vice verse.

The nitrogenous bases (purines as well as pyrimidines) are stacked inside the helix whereas the sugar-phosphate creates the backbone of it, situated on the backside of the DNA.

The backbone is hydrophilic while the bases are hydrophobic and the rings of the bases are perpendicular to the long axis.

Chargaff’s rule is strictly followed in the double helix which creates major grooves and minor grooves in the dsDNA.

When the backbones are far apart from each other it creates the major groove. When the backbones are close to each other it creates the minor groove.

The major groove is very wide and deep while the minor groove is shallow.

DNA binding proteins and other regulatory proteins will bind to the major and minor grooves for performing the replication and transcription.

Usually, four proteins can bind into the major groove and less than four can bind into the minor groove.

Three hydrogen bonds between G and C and two hydrogen bonds between A and T are stabilized the DNA.

Both strands are complementary to one another which means that, whenever a cytosine is present on one strand, guanine must present on the opposite strand.

Also, their findings favor the replication model. The complementary strands can separate from each other and able to synthesize a new daughter strand from it.

  • The diameter of DNA: 20Å
  • Base pair per helix turn: 10.5bp
  • Distance between the adjacent bases: 3.4Å
  • The length of the complex helix turn: 34Å


DNA Structure Discovery

Credit for the discovery of the double-helical structure of DNA has been given to James Watson and Francis Crick, awarded a Nobel Prize for their work. Determining the structure of DNA was based in part on the work of many other scientists, including Rosalind Franklin. Franklin and Maurice Wilkins used X-ray diffraction to ascertain clues about the structure of DNA. The X-ray diffraction photo of DNA taken by Franklin, named "photograph 51," showed that DNA crystals form an X shape on X-ray film. Molecules with a helical shape have this type of X-shape pattern. Using evidence from Franklin's X-ray diffraction study, Watson and Crick revised their earlier proposed triple-helix DNA model to a double-helix model for DNA.

Evidence discovered by biochemist Erwin Chargoff helped Watson and Crick discover base-pairing in DNA. Chargoff demonstrated that the concentrations of adenine in DNA are equal to that of thymine, and concentrations of cytosine are equal to guanine. With this information, Watson and Crick were able to determine that the bonding of adenine to thymine (A-T) and cytosine to guanine (C-G) form the steps of the twisted-staircase shape of DNA. The sugar-phosphate backbone forms the sides of the staircase.