Acides nucléiques : histoire, structure et types (ADN, ARN)

1. Histoire de la découverte des acides nucléiques : 13

En 1871, le biochimiste Friedrich Miescher a isolé une substance à partir des noyaux de globules blancs et l'a appelée nucléine. Elle contenait du phosphore et sa principale caractéristique était d'être acide. En 1899, le chimiste allemand Richard Altmann renomma la nucléine acide nucléique.

Le chimiste allemand Robert Feulgen découvrit en 1914 que l'acide nucléique des cellules du thymus se colorait à la fuchsine. L'utilisation de ce colorant permit de constater que « l'acide nucléique du thymus » se trouvait dans les noyaux des cellules végétales et animales. Au début des années 1900, on constata que l'acide nucléique de la levure présentait des caractéristiques chimiques différentes de celui du thymus ; on l'appela alors « acide nucléique de levure ».

Dans les années 1920, les biochimistes Albrecht Kossel et Phoebus Levene constatèrent que les acides nucléiques contiennent des composés chimiques appelés bases azotées. Les travaux de Levene montrèrent que « l'acide nucléique du thymus » était constitué de quatre bases azotées : thymine (T), cytosine (C), adénine (A) et guanine (G), d'un pentose désoxyribose et d'un groupement phosphate. Levene montra également que l'acide nucléique de la levure différait de l'« acide nucléique du thymus » à deux égards : premièrement, il ne contient pas de thymine mais de l'uracile (U) ; deuxièmement, le pentose est le ribose au lieu du désoxyribose.

Plus tard, le nom de « l'acide nucléique du thymus » fut changé en acide désoxyribonucléique (ADN), tandis que « l'acide nucléique de la levure » devint l'acide ribonucléique (ARN).

2. Travaux pour déterminer la nature du matériel génétique

En 1928, le Britannique Frederick Griffith étudia la possibilité de développer des vaccins contre la bactérie responsable de la pneumonie. Travaillant avec différentes souches de cette bactérie, il observa que certaines souches étaient pathogènes et d'autres inoffensives. Griffith étudia l'utilisation de bactéries pathogènes tuées par la chaleur pour immuniser des animaux contre la pneumonie.

Parmi ses nombreuses expériences, il injecta deux groupes de souris : l'un avec une souche pathogène vivante, l'autre avec une souche inoffensive, et constata que les souris injectées avec la souche pathogène mouraient, tandis que celles injectées avec la souche inoffensive restaient saines. Lorsqu'il injecta des souris avec des bactéries pathogènes tuées par la chaleur, les animaux ne développaient pas la maladie.

Ensuite, il injecta un autre groupe de souris avec un mélange de bactéries pathogènes tuées par la chaleur et de bactéries inoffensives vivantes : le résultat fut que les souris développèrent la maladie et moururent. Deux explications possibles furent proposées :

• La première était que les bactéries pathogènes tuées pouvaient encore provoquer une maladie (mais cela était peu probable).
• La seconde, retenue par Griffith, était que certains constituants de la souche pathogène morte avaient été transmis aux bactéries inoffensives vivantes et les avaient transformées en bactéries pathogènes. Griffith appela ce phénomène le principe de transformation.

3. Composition chimique des acides nucléiques

Les acides nucléiques sont constitués d'unités structurelles de base appelées nucléotides, qui sont reliées en longues chaînes formant l'acide nucléique.

Un nucléotide est composé de trois éléments :

• Une base azotée : ce sont des molécules cycliques, divisées en deux familles :
  • Les purines (à deux anneaux) : adénine (A) et guanine (G).
  • Les pyrimidines (anneau unique) : cytosine (C), thymine (T) et uracile (U).
• Dans l'ADN, les bases sont A, G, C, T. Dans l'ARN, les bases sont A, G, C, U (l'ADN a T au lieu de U, et l'ARN a U au lieu de T).
• Un pentose : c'est un sucre à cinq atomes de carbone. Dans l'ADN, le sucre est le désoxyribose ; dans l'ARN, il s'agit du ribose.
• Un groupe phosphate : composé principalement de phosphore et d'oxygène (ainsi que d'hydrogènes selon l'état de protonation), il lie les pentoses entre eux pour former l'épine dorsale de la molécule.

4. Contribution de Franklin et Wilkins à l'étude de l'ADN

Une fois identifiée la composition chimique de la molécule d'ADN, la question suivante fut : quelle est la structure tridimensionnelle de cette molécule ? En 1952–1953, Rosalind Franklin et Maurice Wilkins utilisèrent la technique de diffraction des rayons X pour étudier l'ADN. Le schéma de diffraction obtenu permit de proposer que la molécule d'ADN adopte une double hélice, comme un escalier en colimaçon.

5. Modèle de Watson et Crick

James Watson et Francis Crick postularont que l'ADN est constitué de deux chaînes polynucléotidiques maintenues ensemble par des liaisons hydrogène. Des études ultérieures révélèrent que l'adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, tandis que la guanine et la cytosine sont jointes par trois liaisons hydrogène.

Les chaînes polynucléotidiques qui composent l'ADN sont organisées en trois dimensions sous la forme d'une double hélice.

6. ARN : composition chimique et rôles

L'ARN est un acide ribonucléique généralement simple brin que l'on trouve dans le noyau et en grande quantité dans le cytoplasme. Sa fonction principale est de participer à la synthèse des protéines.

Contrairement à l'ADN, le pentose de l'ARN est le ribose au lieu du désoxyribose, et l'ARN contient U (uracile) au lieu de T (thymine). Dans l'ARN, la règle de Chargaff ne s'applique pas de la même manière car l'ARN est constitué d'une seule chaîne de nucléotides et peut adopter plusieurs conformations. L'ARN est beaucoup plus polyvalent que l'ADN en termes de structures tridimensionnelles possibles.

7. Types d'ARN

• ARN messager (ARNm) : porte l'information génétique du noyau vers le cytoplasme.
• ARN ribosomal (ARNr) : présent dans le cytoplasme et constituant des éléments essentiels des ribosomes.
• ARN de transfert (ARNt) : se trouve dans le cytoplasme et existe sous environ 20 formes différentes, chacune correspondant à un acide aminé spécifique.
• Petit ARN nucléaire (snRNA) : désigne plusieurs petites molécules d'ARN présentes dans le noyau, impliquées notamment dans l'épissage pré-messager.