Acide nucléique

Les acides nucléiques sont des macromolécules, c’est-à-dire de grosses molécules relativement complexes. Ils entrent dans la famille des biomolécules puisqu’ils sont d’une très grande importance dans le règne de la vie, « bio » provenant de biologie, donc associé au vivant.

Les acides nucléiques sont des polymères dont l’unité de base, ou monomère, est le nucléotide. Ces nucléotides sont liés les uns aux autres par des liens phosphodiester.

Types d'acide nucléique

Il existe deux types d’acide nucléique : l’acide désoxyribonucléique (ADN) et l’acide ribonucléique (ARN). L’ADN contient l’information génétique. L’ARN quant à lui, joue des rôles plus variés. En fait, ce type d’acide nucléique « assiste » l’ADN dans une panoplie de tâches.

Localisation

Dans chacune de nos cellules, on retrouve de l’ADN et de l’ARN. Toute cellule eucaryote et procaryote (donc cellules animales, cellules végétales, bactéries, mycètes (ou champignon) et même les mitochondries et les chloroplastes) contient les deux types d’acide nucléique. Toutefois, les virus peuvent contenir de l’ADN ou de l’ARN, mais jamais les deux en même temps.

L’ADN se trouve dans le noyau cellulaire chez les Eucaryotes. Il s’associe à des protéines comme des histones. Cet agencement d’ADN et de protéine forme la chromatine que l’on retrouve sous forme de chromosomes linéaires chez les eucaryotes (bien visibles durant la mitose) et sous forme de chromosome circulaire unique chez les procaryotes. Pour sa part, l’ARN se retrouve autant au niveau du noyau qu'au niveau du cytosol.

Composition

Les nucléotides formant l'ADN s'appellent désoxyribonucléotides tandis que ceux formant l'ARN s'appelent ribonucléotides. La composition de ces nucléotides varie selon qu’ils sont dans l’ADN ou dans l’ARN. Toutefois, qu'ils se retrouvent dans l'un ou dans l'autre de ces acides nucléiques, les nucléotides possèdent toujours trois substances fondamentales :

un sucre
un groupe phosphate
une base azotée.

Le sucre

Le sucre (plus précisément un pentose) présent dans l’ADN est le désoxyribose. Le préfixe « désoxy » signifie qu’il y a un oxygène en moins. En fait, sur la position 2 de tous les sucres composant l’ADN, le groupement hydroxyle (OH) est remplacé par un hydrogène (H). Chez l’ARN, ce groupement hydroxyle est présent et ainsi, le sucre demeure le ribose.

Voir la structure du ribose et du désoxyribose sur l'article des hydrates de carbone (communément appelés glucides).

Le groupe phosphate

Le groupe phosphate est le même chez l’ADN et chez l’ARN.

La base azotée

Il y a cinq bases azotées pouvant entrer dans la composition des nucléotides. Ces bases sont séparées en deux familles :

La famille des purines : elles sont de grosses bases, elles contiennent deux cycles.

Adénine (A)
Guanine (G)

La familles des pyrimidines : ce sont des bases plus petites qui contiennent un seul cycle.

La base azotée thymine est présente seulement dans l’ADN. Lors de la transcription, tout nucléotide de l’ADN possédant une thymine induit l’instauration dans l'ARN d’un nucléotide contenant la base nommée uracile. Cette base azotée se retrouve seulement dans l’ARN.

Puisque les phosphates et les sucres sont toujours les mêmes dans un acide nucléique donné, on voit que la nature du nucléotide est déterminée par la base azotée qu’il contient. La séquence d'un brin d'ADN ou d'ARN peut donc se résumer à la succession des bases azotées présentes.

Les bases azotées sont dites complémentaires lorsqu'elles sont capables de s'associer par des liaisons "faibles" (liaisons hydrogènes) d'un brin d'ADN à un autre brin d'ADN ou à un brin d'ARN . En fait, L’adénine s’associe toujours avec la thymine (dans l'ADN) ou l’uracile (dans l'ARN) et la guanine s’associe toujours avec la cytosine.

Liaisons

Pour soutenir de telles molécules et les maintenir « en un morceau », des liaisons chimiques sont nécessaires. Ces liaisons doivent être fortes pour éviter les bris et pour rester stable, mais doivent également être faibles dans une certaine mesure où ces acides nucléiques doivent constamment être manipulés par diverses protéines, entre autre des enzymes, dans des processus comme la réplication, la transcription ou la traduction.

Liaisons phosphodiester

Dans les acides nucléiques, les différents nucléotides sont placés bout à bout et liés les uns aux autres par des liens 3’- 5’ (prononcé 3 prime – 5 prime) phosphodiester. Ces chiffres donnent le sens de la liaison ; le phosphate se lie au carbone 3 du sucre du premier nucléotide et au carbone 5 du sucre du nucléotide suivant. Les liaisons phosphodiester sont des liens covalents, c'est-à-dire qu'il y a partage d'électrons entre les atomes. Le phosphate est donc le lien (ou le pont) entre chaque sucre.

Liaisons covalentes

Les bases azotées sont attachées sur le carbone 1' des sucres par des liaisons covalentes.

Aussi, comme mentionné plus haut, les liaisons phosphodiester sont des liaisons covalentes. (On peut dire que toutes les liaisons phophodiester sont des liaisons covalentes, mais toutes les liaisons covalentes ne sont pas des liaisons phophodiester).

Mis à part, les liaisons hydrogène, que l'on nomme souvent interactions hydrogène parce qu'en fait, il n'y a pas « liaison » proprement dit, toute autre liaison présente dans les acides nucléiques sont des liaisons covalentes.

Création du squelette

L’alternance des phosphates et des sucres produit le squelette de l’acide nucléique sur lequel s’attache les bases azotées. Le polymère formé se nomme un brin et à l’allure schématique d’une « corde ».

Le squelette est une partie relativement rigide puisqu'il est composé de liens covalents, des liens chimiques très forts.

Liaisons hydrogène

Dans le cas de l’ADN, les deux brins (les deux cordes) sont disposées de telle sorte que toutes les bases azotées se retrouvent au centre de la structure. Cette structure appelée double hélice est maintenue par des liaisons hydrogène (liens faibles, qui retiennent peu) qui se forment entre les bases azotées complémentaires; l’adénine s’associant toujours avec la thymine (dans l'ADN) ou l’uracile (dans l'ARN) à l’aide de deux liens hydrogène et la guanine s’associant toujours avec la cytosine à l’aide de trois liens hydrogène.

Création de la structure hélicoïdale

Les deux brins (plus souvent retrouvées dans l'ADN quoique certains types d'ARN possèdent aussi une structure à double brins) prennent la forme d'une double hélice (structure hélicoïdale). Cette structure est rendu possible grâce à la souplesse des liens hydrogène.

Cette structure souple est idéale pour permettre aux protéines telles des polymérases, des primases et des ligases , de traduire ou de dupliquer l'ADN.

Rôles

Ensemble, l’ADN et l’ARN jouent un rôle fondamental : ils stockent, entretiennent et traduisent l’information génétique. Ils assurent le maintien du génotype et du phénotype et ce en effectuant le travail qui est de passer d’un gène contenu dans le génome à une protéine.

Rôle de l'ADN

L’ADN constitue le l’information génétique. Il assure de la préservation et la transmission de ces précieuses informations, par exemple lors de la mitose, en se dupliquant. L’ADN détermine aussi l'identité de l’organisme (plante, grenouille ou humain).

Rôle de l'ARN

L’ARN possède de nombreux rôles. En fait, il existe plusieurs types différents d’ARN et chacun d’entre eux joue un rôle spécifique.

L’ARN messager (ARNm) : est le produit de l'épissage de l'ARN prémessager (ARNpm), qui lui est le produit de la transcription opérée sur l’ADN. L'ARN prémessager est aussi appelé ARN nucléaire hétérogène (ARNnh) car il se retrouve strictement dans le noyau et est composé d'introns et d'exons. L'épissage de l'ARNpm consiste à enlever les introns et à relier les exons les uns à la suite des autres. Cette chaîne d'exons constitue alors l'ARN messager « produit final ». Contrairement à l'ARN prémessager, l'ARN messager quitte le noyau et est ultimement traduit en peptide dans le cytosol ou encore dans le réticulum endoplasmique. L'ARNm est le « plan de construction » d’une protéine. Il n'y a pas d'épissage chez les Procaryotes où l'ARN produit par la transcription est directement l'ARNm, prêt à être traduit.

L’ARN de transfert (ARNt) : est impliqué lors de la traduction de l’ARN messager en peptide. Il est chargé d’apporter les bons acides aminés en se fiant aux codons qui se retrouvent sur l’ARNm. Un codon est constitué de trois nucléotides adjacents. Un codon correspond à un seul acide aminé, mais un même acide aminé peut être spécifié par différents codons.

Voir code génétique pour savoir quels acides aminés sont associés à quels codons.

|L’ARN ribosomique (ARNr) : constitue le ribosome après maturation et association à des protéines. Les ribosomes sont des usines de fabrication de protéines. Le ribosome s’associe à l’ARN messager et « lit » les codons qui s'y retrouvent. Il gère ensuite l’entrée et la sortie des ARN de transfert qui transportent les acides aminés. S’ensuit la naissance d’un peptide qui sera éventuellement, après plusieurs étapes de maturation et d’assemblage, transformé en protéine.

Les microARN (miARN) : découverts en 1993 par Victor Ambros chez le ver Caenorhabditis elegans. Ils possèdent une structure simple brin et sont longs de 19 à 25 nucléotides. Ils jouent un rôle dans le métabolisme cellulaire en empêchant la traduction de certains ARN messager en peptides. En se liant à des ARN messagers dont ils sont partiellement complémentaires, les microARN entraînent le blocage de la traduction de l'ARNm par les ribosomes.

Les miARN peuvent réguler l'expression de plusieurs gènes (peut-être une centaine pour certains d'entre eux).

Les silencingRNA (siRNA) sont des petits ARN de 21-22 nucléotides parfaitement complémentaires à leurs ARNm cibles. Contrairement aux miRNA, les siRNA ne sont pas codés par le génome de la cellule hôte mais plutôt apportés par un éventuel envahisseur tel que les virus. De plus, ils possèdent une structure en double brin, et leur action consiste à dégrader les ARNm. Elle s'effectue en collaboration avec des protéines appelées RISC (RNA Induced Silencing Complex). Ces dernières se fixent sur le brin antisens (complémentaire au brin codant) du siARN, le brin sens est abandonné, et le complexe (RISC + ARN simple brin antisens) ainsi formé peut reconnaître le fragment d'ARNm correspondant et le détruire, empêchant ainsi l'expression du gène associé.

Les siARN sont plus spécifiques que les miARN : ils sont conçus pour reconnaître un seul gène.

Ces ARN courts sont devenus un outil très utilisé en biologie moléculaire pour éteindre un à un les gènes dont on souhaite déterminer le rôle métabolique. Leur spécificité d'action fait des siARN une voie très étudiée dans la lutte contre le cancer et les maladies virales.

snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolus RNA), scaRNA (small cajal bodies RNA): ce sont de courtes chaînes de ribonucléotides ''(qui se retrouve exclusivement dans le noyau et plus précisement dans des compartiments du noyau comme le nucléole pr les snoRNA et les corps de Cajal pour les scaRNA. Ces ARN non codants s'associent à des protéines pour former des complexes nommés petites ribonucléoprotéines nucléaires (RNPpn), essentiels lors du processus d'épissage des ARN prémessagers et lors du processus de maturation des ARNr et ARNt.

Les acides nucléiques dans les virus

Dans les cellules eucaryotes et procaryotes, l’ADN et l’ARN sont présents. Toutefois, chez les virus, il n’y a qu’un seul acide nucléique présent. Ce peut être soit l’ADN ou l’ARN, mais jamais les deux en même temps. On peut y retrouver de l’ADN à simple ou à double chaîne ou encore de l’ARN à simple ou à double chaîne.

En savoir plus

Bibliographie

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Elaine N. Marieb, Anatomie et physiologie humaine, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 1999.
Gerard J. Tortora, Berdell R. Funke et Christine L. Case, Introduction à la microbiologie, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 2003.
Neil A. Campbell, Biologie, Éditions du renouveau pédagogique Inc., Montréal, 1995.
Wayne M Becker, Lewis J. Kleinsmith et Jeff Hardin, The World of the Cell 5^th edition, Benjammin Cummings, San Francisco, 2003.

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