Caractéristiques de la structure de la molécule d'ADN. Molécule d'ADN humain. Comment fonctionnent les gènes, qu'est-ce que l'ARN, les nucléotides, la synthèse des protéines. Initiation - début

La première preuve du rôle de l'ADN en tant que porteur d'informations héréditaires dans les organismes a attiré une énorme attention sur l'étude des acides nucléiques. En 1869, F. Miescher isolait une substance spéciale des noyaux cellulaires, qu'il appela nucléine. Après 20 ans, ce nom a été remplacé par le terme acide nucléique. En 1924, R. Felgen développe une méthode de reconnaissance cytologique des acides nucléiques grâce à leur coloration spécifique et montre que l'ADN est localisé dans les noyaux des cellules et l'ARN dans le cytoplasme. En 1936, A.N. Belozersky et I.I. Dubrovskaya a isolé l'ADN sous sa forme pure à partir des noyaux des cellules végétales. Au début des années 1930. Les principes chimiques de base de la structure des sucres des acides nucléiques ont été élucidés et, en 1953, un modèle structurel de l'ADN a été créé.

L'unité structurelle de base des acides nucléiques est nucléotide, qui se compose de trois parties chimiquement différentes reliées par des liaisons covalentes (Fig. 5.2).

Riz. 5.2. Formules développées : UN- les nucléotides ; b- ADN ; V- ARN (voir aussi p. 110)

Riz. 5.2. Fin. Formules développées : UN- les nucléotides ; 6 - ADN ; V- ARN

La première partie est du sucre contenant cinq atomes de carbone : désoxyribose dans l'ADN et ribose dans l'ARN.

La deuxième partie du nucléotide, une base azotée purine ou pyrimidine, est liée de manière covalente au premier atome de carbone du sucre, formant une structure appelée nucléoside. L'ADN contient des bases puriques - adénine(A) et guanine(D) - et les bases pyrimidiques - thymine(T) et cytosine(C). Les nucléosides correspondants sont appelés désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxythymidine et désoxycytidine. L'ARN contient les mêmes bases puriques que l'ADN, une base pyrimidine cytosine, et à la place de la thymine, il contient uracile(U); les nucléosides correspondants sont appelés adénosine, guanosine, uridine et cytidine.

La troisième partie du nucléotide est un groupe phosphate, qui relie les nucléosides voisins en une chaîne polymère via des liaisons phosphodiester entre l'atome de carbone à 5 d'un sucre et l'atome de carbone à 3 d'un autre (Fig. 5.2, b, V). Nucléotides sont appelés nucléosides avec un ou plusieurs groupes phosphate attachés par des liaisons ester aux 3" ou 5 atomes de carbone du sucre. La synthèse des nucléotides précède la synthèse des acides nucléiques ; par conséquent, les nucléotides sont des produits de l'hydrolyse chimique ou enzymatique des acides nucléiques.

Les acides nucléiques sont de très longues chaînes polymères constituées de mononucléotides reliés par des liaisons 5- et 3'-phosphodiester. Une molécule d'ADN intacte contient, selon le type d'organisme, de plusieurs milliers à plusieurs millions de nucléotides, une molécule d'ARN intacte - de 100 à 100 000 nucléotides ou plus.

Les résultats des analyses d'E. Chargaff sur la composition nucléotidique de l'ADN de diverses formes d'espèces ont montré que le rapport moléculaire de diverses bases azotées - adénine, guanine, thymine, cytosine - varie considérablement. Par conséquent, il a été prouvé que l’ADN n’est pas du tout un polymère monotone constitué de tétranucléotides identiques, comme on le supposait dans les années 40. XX siècles, et qu'il possède pleinement la complexité nécessaire à la préservation et à la transmission de l'information héréditaire sous la forme d'une séquence spécifique de bases nucléotidiques.

Les recherches d'E. Chargaff ont également révélé une caractéristique inhérente à toutes les molécules d'ADN : la teneur molaire en adénine est égale à la teneur en thymine, et la teneur molaire en guanine est égale à la teneur en cytosine. Ces égalités sont appelées règle d'équivalence de Chargaff : [A] = [T], [G] = [C] ; le nombre de purines est égal au nombre de pyrimidines. Selon les espèces, seul le rapport ([A] + [T])/([G] + [C]) change (tableau 5.1).

Le rapport des bases s'appelle coefficient nucléotidique(espèces) spécificité. La découverte de Chargaff a formulé une caractéristique structurelle importante de l'ADN, qui a ensuite été reflétée dans le modèle structurel de l'ADN de J. Watson et F. Crick (1953), qui ont en fait montré que les règles de Chargaff n'imposent aucune restriction sur le nombre possible de combinaisons de différentes séquences de bases capables de former des molécules d'ADN.

Le concept de spécificité nucléotidique a constitué la base d'une nouvelle branche de la biologie - systématique des gènes, qui fonctionne en comparant la composition et la structure des acides nucléiques pour construire un système naturel d'organismes.

Selon le modèle Watson-Crick, une molécule d'ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques (brins, brins), reliées entre elles par des liaisons hydrogène transversales entre bases azotées selon le principe complémentaire (l'adénine d'une chaîne est reliée par deux liaisons hydrogène avec la thymine de chaîne opposée, et la guanine et la cytosine de chaînes différentes sont reliées entre elles par trois liaisons hydrogène). Dans ce cas, deux chaînes polynucléotidiques d'une molécule sont antiparallèles, c'est-à-dire qu'à l'opposé de l'extrémité 3" d'une chaîne se trouve l'extrémité 5" de l'autre chaîne et vice versa (Fig. 5.3). Cependant, il convient de garder à l'esprit les données modernes selon lesquelles le matériel génétique de certains virus est représenté par des molécules d'ADN simple brin (simple brin). Sur la base de l'analyse de l'ADN par diffraction des rayons X, J. Watson et F. Crick ont ​​également conclu que sa molécule double brin possède une structure secondaire en forme d'hélice tordue dans le sens de gauche à droite, appelée plus tard la 5 -formulaire (Fig. 5.4). À ce jour, il a été prouvé qu'en plus de la forme 5 la plus courante, il est possible de détecter des sections d'ADN qui ont une configuration différente - comme droites (formes UN, C), et tordu de droite à gauche (torsion à gauche ou en forme de Z) (Fig. 5.4). Il existe certaines différences entre ces formes de structure secondaire de l'ADN (tableau 5.2). Par exemple, la distance entre deux paires adjacentes de bases azotées dans une hélice double brin, exprimée en nanomètres (nm), est caractérisée par des valeurs différentes pour la forme 5 et la forme Z (0,34 et 0,38 nm, respectivement) . En figue. La figure 5.5 montre des modèles tridimensionnels modernes de formes d’ADN « gauchers » et « droitiers ».

Riz. 5.3. représentation schématique de la structure primaire d'un fragment d'une molécule d'ADN double brin : A - adénine ; G-guanine ; T-thymine; C-cytosine

Riz. 5.4.

Tableau 5.2

Propriétés de diverses formes de doubles hélices d'ADN

Les molécules d'ARN, selon leurs caractéristiques structurelles et fonctionnelles, sont divisées en plusieurs types : ARN messager (ARNm, ou ARNm), ARN ribosomal (ARNr), ARN de transfert (ARNt), petit ARN nucléaire (ARNsn), etc. Les molécules d'ADN et d'ARN sont toujours simple brin (simple brin). Cependant, ils peuvent former des configurations (secondaires) plus complexes en raison de la connexion complémentaire de sections individuelles d'une telle chaîne basée sur l'interaction de bases azotées complémentaires (A-U et G-C). À titre d’exemple, considérons la configuration en feuille de trèfle pour la molécule d’ARN de transfert de phénylalanine (Figure 5.6).

Riz. 5.6.

En 1953, D. Watson et F. Crick ont ​​proposé un modèle de la structure de l'ADN, basé sur les postulats suivants :

• 1. L'ADN est un polymère constitué de nucléotides reliés par des liaisons phosphodiester 3" et 5".
• 2. La composition des nucléotides de l'ADN obéit aux règles de Chargaff.
• 3. La molécule d'ADN a une structure à double hélice, rappelant un escalier en colimaçon, comme en témoignent les diagrammes de diffraction des rayons X des brins d'ADN obtenus pour la première fois par M. Wilkins et R. Franklin.
• 4. La structure du polymère, comme le montre le titrage acide-base de l'ADN natif (naturel), est stabilisée par des liaisons hydrogène. Le titrage et le chauffage de l'ADN natif provoquent une modification notable de ses propriétés physiques, en particulier de sa viscosité, le transformant en une forme dénaturée, et les liaisons covalentes ne sont pas détruites.

Watson Et Crier ont montré que ADN se compose de deux chaînes polynucléotidiques. Chaque chaîne est tordue en spirale vers la droite, et les deux sont tordues ensemble, c'est-à-dire tordues vers la droite autour du même axe, formant une double hélice.

Les chaînes sont antiparallèles, c’est-à-dire dirigées dans des directions opposées. Chaque brin d'ADN se compose d'un squelette sucre-phosphate le long duquel les bases sont situées perpendiculairement au grand axe de la double hélice ; Les bases opposées de deux brins opposés d’une double hélice sont reliées par des liaisons hydrogène.

Structures sucre-phosphate deux brins à double hélice sont clairement visibles sur le modèle spatial d’ADN. La distance entre les squelettes sucre-phosphate des deux chaînes est constante et égale à la distance occupée par une paire de bases, c'est-à-dire une purine et une pyrimidine. Deux purines prendraient trop de place et deux pyrimidines prendraient trop peu de place pour combler les espaces entre les deux chaînes.

Le long de l'axe de la molécule, les paires de bases voisines sont situées à une distance de 0,34 nm les unes des autres, ce qui explique la périodicité détectée dans les diagrammes de diffraction des rayons X. Révolution complète de la spirale représente 3,4 nm, soit 10 paires de bases. Il n'y a aucune restriction concernant la séquence des nucléotides dans une chaîne, mais en raison de la règle d'appariement des bases, cette séquence dans une chaîne détermine la séquence des nucléotides dans l'autre chaîne. On dit donc que les deux brins de la double hélice sont complémentaires.

Watson Et Crier a publié un message sur votre modèle d'ADN dans le magazine "" en 1953, et en 1962, ils reçurent, avec Maurice Wilkins, le prix Nobel pour ce travail. La même année, Kendrew et Perutz ont reçu le prix Nobel pour leurs travaux sur la détermination de la structure tridimensionnelle des protéines, également réalisés par analyse par diffraction des rayons X. Rosalind Franklin, décédée d'un cancer avant l'attribution des prix, n'a pas été incluse parmi les récipiendaires car le prix Nobel n'est pas décerné à titre posthume.

Afin de reconnaître la structure proposée comme matériel génétique, il était nécessaire de montrer qu'elle est capable de : 1) transporter des informations codées et 2) se reproduire (répliquer) avec précision. Watson et Crick savaient que leur modèle satisfaisait à ces exigences. À la fin de leur premier article, ils notaient prudemment : « Il ne nous a pas échappé que l’appariement de bases spécifique que nous avons postulé nous permet immédiatement de postuler un possible mécanisme de copie du matériel génétique. »

Dans un deuxième article, publié en 1953, ils discutaient des implications génétiques de leur modèle. Cette découverte a montré comment structure explicite peut être associé à une fonction déjà au niveau moléculaire, a donné une impulsion puissante au développement de la biologie moléculaire.

Le projet de naissance d'une personne est prêt lorsque les cellules reproductrices de la mère et du père fusionnent en une seule. Cette formation est appelée zygote ou œuf fécondé. Le plan même du développement de l’organisme est contenu dans la molécule d’ADN située dans le noyau de cette cellule unique. C'est là que sont codés la couleur des cheveux, la taille, la forme du nez et tout ce qui rend une personne individuelle.

Bien entendu, le sort d’une personne dépend non seulement de la molécule, mais également de nombreux autres facteurs. Mais les gènes déposés à la naissance influencent également largement le cheminement fatidique. Et ils représentent une séquence de nucléotides.

Chaque fois qu'une cellule se divise, l'ADN double. Par conséquent, chaque cellule transporte des informations sur la structure de l’organisme tout entier. C'est comme si, lors de la construction d'un bâtiment en brique, chaque brique avait un plan architectural pour l'ensemble de la structure. Vous regardez une seule brique et vous savez déjà à quelle structure de bâtiment elle fait partie.

La véritable structure de la molécule d’ADN a été démontrée pour la première fois par le biologiste britannique John Gurdon en 1962. Il a prélevé un noyau cellulaire dans l'intestin d'une grenouille et, à l'aide de techniques microchirurgicales, l'a transplanté dans un œuf de grenouille. De plus, dans cet œuf, son propre noyau avait été préalablement détruit par une irradiation ultraviolette.

Une grenouille normale est née de l’œuf hybride. De plus, il était absolument identique à celui dont le noyau cellulaire avait été prélevé. Cela a marqué le début de l’ère du clonage. Et le premier résultat réussi du clonage chez les mammifères fut Dolly la brebis. Elle a vécu 6 ans puis est décédée.

Mais la nature elle-même crée aussi des doubles. Cela se produit lorsque, après la première division du zygote, deux nouvelles cellules ne restent pas ensemble, mais s'écartent et chacune produit son propre organisme. C'est ainsi que naissent des jumeaux identiques. Leurs molécules d’ADN sont exactement les mêmes, c’est pourquoi les jumeaux sont si semblables.

En apparence, l'ADN ressemble à une échelle de corde tordue en spirale vers la droite. Et il se compose de chaînes polymères dont chacune est formée de 4 types d'unités : adénine (A), guanine (G), thymine (T) et cytosine (C).

C'est dans leur séquence que est contenu le programme génétique de tout organisme vivant. La figure ci-dessous, par exemple, montre le nucléotide T. Son cycle supérieur est appelé base azotée, le cycle à cinq chaînons du bas est un sucre et à gauche, un groupe phosphate.

La figure montre un nucléotide thymine, qui fait partie de l'ADN. Les 3 nucléotides restants ont une structure similaire, mais diffèrent par leur base azotée. L'anneau supérieur droit est une base azotée. L'anneau inférieur à cinq chaînons est le sucre. Groupe gauche PO - phosphate

Dimensions d'une molécule d'ADN

Le diamètre de la double hélice est de 2 nm (nm est un nanomètre, égal à 10 -9 mètres). La distance entre les paires de bases adjacentes le long de l'hélice est de 0,34 nm. La double hélice fait un tour complet toutes les 10 paires. Mais la longueur dépend de l'organisme auquel appartient la molécule. Les virus les plus simples ne comportent que quelques milliers de liens. Les bactéries en possèdent plusieurs millions. Et les organismes supérieurs en possèdent des milliards.

Si vous étirez tout l’ADN contenu dans une cellule humaine en une seule ligne, vous obtiendrez un fil d’environ 2 m de long. Cela montre que la longueur du fil est des milliards de fois supérieure à son épaisseur. Pour mieux imaginer la taille d'une molécule d'ADN, on peut imaginer que son épaisseur est de 4 cm. Un tel fil, prélevé sur une cellule humaine, peut faire le tour du globe le long de l'équateur. À cette échelle, une personne correspondra à la taille de la Terre et le noyau cellulaire atteindra la taille d'un stade.

Le modèle Watson et Crick est-il correct ?

Compte tenu de la structure de la molécule d'ADN, la question se pose de savoir comment elle, ayant une longueur aussi énorme, se situe dans le noyau. Il doit être placé de telle manière qu'il soit accessible sur toute sa longueur à l'ARN polymérase, qui lit les gènes souhaités.

Comment s’effectue la réplication ? Après tout, après un doublement, les deux chaînes complémentaires doivent se séparer. C'est assez difficile, car les chaînes sont initialement tordues en spirale.

De telles questions ont initialement soulevé des doutes sur la validité du modèle de Watson et Crick. Mais ce modèle était trop spécifique et ne faisait que taquiner les spécialistes par son inviolabilité. Par conséquent, tout le monde s’est précipité à la recherche de défauts et de contradictions.

Certains experts ont supposé que si la molécule malheureuse était constituée de 2 chaînes polymères reliées par de faibles liaisons non covalentes, elles devraient alors diverger lorsque la solution est chauffée, ce qui peut être facilement vérifié expérimentalement.

Les seconds spécialistes se sont intéressés aux bases azotées qui forment des liaisons hydrogène entre elles. Cela peut être vérifié en mesurant les spectres de la molécule dans la région infrarouge.

D'autres encore pensaient que si les bases azotées étaient effectivement cachées à l'intérieur de la double hélice, il serait alors possible de savoir si la molécule était affectée par les substances qui ne pouvaient réagir qu'avec ces groupes cachés.

De nombreuses expériences ont été réalisées et à la fin des années 50 du 20e siècle, il est devenu évident que le modèle proposé par Watson et Crick avait réussi tous les tests. Les tentatives pour le réfuter ont échoué.

La molécule d'ADN est constituée de deux brins formant une double hélice. Sa structure a été déchiffrée pour la première fois par Francis Crick et James Watson en 1953.

Au début, la molécule d'ADN, constituée d'une paire de chaînes nucléotidiques enroulées l'une autour de l'autre, a suscité des questions sur la raison pour laquelle elle avait cette forme particulière. Les scientifiques appellent ce phénomène complémentarité, ce qui signifie que seuls certains nucléotides peuvent se trouver en face les uns des autres dans ses brins. Par exemple, l’adénine est toujours opposée à la thymine et la guanine est toujours opposée à la cytosine. Ces nucléotides de la molécule d'ADN sont dits complémentaires.

Schématiquement, cela se représente ainsi :

T-A

C-G

Ces paires forment une liaison nucléotidique chimique qui détermine l’ordre des acides aminés. Dans le premier cas, c'est un peu plus faible. La connexion entre C et G est plus forte. Les nucléotides non complémentaires ne forment pas de paires entre eux.

À propos du bâtiment

La structure de la molécule d’ADN est donc particulière. Il a cette forme pour une raison : le fait est que le nombre de nucléotides est très grand et qu'il faut beaucoup d'espace pour accueillir de longues chaînes. C'est pour cette raison que les chaînes se caractérisent par une torsion en spirale. Ce phénomène est appelé spiralisation, il permet aux fils de se raccourcir d'environ cinq à six fois.

L’organisme utilise très activement certaines molécules de ce type, d’autres rarement. Ces derniers, en plus de la spiralisation, subissent également un « emballage compact » tel que la superspiralisation. Et puis la longueur de la molécule d'ADN diminue de 25 à 30 fois.

Qu’est-ce que le « packaging » d’une molécule ?

Le processus de superenroulement implique des protéines histones. Ils ont la structure et l’apparence d’une bobine de fil ou d’une tige. Des fils spiralés y sont enroulés, qui sont immédiatement « emballés de manière compacte » et prennent peu de place. Lorsqu'il est nécessaire d'utiliser l'un ou l'autre fil, celui-ci est déroulé à partir d'une bobine, par exemple une protéine histone, et l'hélice se déroule en deux chaînes parallèles. Lorsque la molécule d’ADN est dans cet état, les données génétiques nécessaires peuvent y être lues. Il y a cependant une condition. L'obtention d'informations n'est possible que si la structure de la molécule d'ADN n'est pas tordue. Les chromosomes accessibles à la lecture sont appelés euchromatines, et s'ils sont superenroulés, alors ils sont déjà des hétérochromatines.

Acides nucléiques

Les acides nucléiques, comme les protéines, sont des biopolymères. La fonction principale est le stockage, la mise en œuvre et la transmission des informations héréditaires (génétiques). Il en existe deux types : l'ADN et l'ARN (désoxyribonucléique et ribonucléique). Les monomères qu'ils contiennent sont des nucléotides dont chacun contient un résidu d'acide phosphorique, un sucre à cinq carbones (désoxyribose/ribose) et une base azotée. Le code ADN comprend 4 types de nucléotides - adénine (A) / guanine (G) / cytosine (C) / thymine (T). Ils diffèrent par la base azotée qu'ils contiennent.

Dans une molécule d'ADN, le nombre de nucléotides peut être énorme - de plusieurs milliers à des dizaines et centaines de millions. Ces molécules géantes peuvent être examinées au microscope électronique. Dans ce cas, vous pourrez voir une double chaîne de brins polynucléotidiques, qui sont reliés les uns aux autres par des liaisons hydrogène des bases azotées des nucléotides.

Recherche

Au cours de leurs recherches, les scientifiques ont découvert que les types de molécules d’ADN diffèrent selon les organismes vivants. Il a également été constaté que la guanine d'une chaîne ne peut se lier qu'à la cytosine et la thymine à l'adénine. La disposition des nucléotides dans une chaîne correspond strictement à celle parallèle. Grâce à cette complémentarité de polynucléotides, la molécule d'ADN est capable de se doubler et de s'auto-reproduire. Mais d'abord, les chaînes complémentaires, sous l'influence d'enzymes spéciales qui détruisent les nucléotides appariés, divergent, puis dans chacune d'elles commence la synthèse de la chaîne manquante. Cela est dû aux nucléotides libres présents en grande quantité dans chaque cellule. En conséquence, au lieu de la « molécule mère », deux « molécules filles » se forment, identiques en composition et en structure, et le code ADN devient celui d'origine. Ce processus est un précurseur de la division cellulaire. Il assure la transmission de toutes les données héréditaires des cellules mères aux cellules filles, ainsi qu’à toutes les générations suivantes.

Comment lire le code génétique ?

Aujourd'hui, non seulement la masse d'une molécule d'ADN est calculée, mais il est également possible de découvrir des données plus complexes qui étaient auparavant inaccessibles aux scientifiques. Par exemple, vous pouvez lire des informations sur la manière dont un organisme utilise sa propre cellule. Bien entendu, au début, ces informations sont codées et ont la forme d'une certaine matrice, et elles doivent donc être transportées vers un support spécial, qui est l'ARN. L'acide ribonucléique est capable de pénétrer dans la cellule à travers la membrane nucléaire et de lire les informations codées à l'intérieur. Ainsi, l'ARN est porteur de données cachées du noyau à la cellule, et il diffère de l'ADN en ce qu'il contient du ribose au lieu du désoxyribose et de l'uracile au lieu de la thymine. De plus, l’ARN est simple brin.

Synthèse d'ARN

Une analyse approfondie de l'ADN a montré qu'une fois que l'ARN a quitté le noyau, il pénètre dans le cytoplasme, où il peut être intégré sous forme de matrice dans les ribosomes (systèmes enzymatiques spéciaux). Guidés par les informations reçues, ils peuvent synthétiser la séquence appropriée d'acides aminés protéiques. Le ribosome apprend grâce au code triplet quel type de composé organique doit être attaché à la chaîne protéique en formation. Chaque acide aminé possède son propre triplet spécifique, qui le code.

Une fois la formation de la chaîne terminée, elle acquiert une forme spatiale spécifique et se transforme en une protéine capable de remplir ses fonctions hormonales, de construction, enzymatiques et autres. Pour tout organisme, il s’agit d’un produit génétique. C'est à partir de là que sont déterminées toutes sortes de qualités, propriétés et manifestations des gènes.

Gènes

Les processus de séquençage ont été principalement développés pour obtenir des informations sur le nombre de gènes qu'une molécule d'ADN possède dans sa structure. Et, même si les recherches ont permis aux scientifiques de faire de grands progrès en la matière, il n’est pas encore possible d’en connaître le nombre exact.

Il y a seulement quelques années, on supposait que les molécules d'ADN contenaient environ 100 000 gènes. Un peu plus tard, ce chiffre est tombé à 80 000 et, en 1998, les généticiens ont déclaré que seuls 50 000 gènes sont présents dans un ADN, ce qui ne représente que 3 % de la longueur totale de l'ADN. Mais les dernières conclusions des généticiens sont frappantes. Ils prétendent maintenant que le génome comprend 25 à 40 000 de ces unités. Il s’avère que seulement 1,5 % de l’ADN chromosomique est responsable du codage des protéines.

Les recherches ne se sont pas arrêtées là. Une équipe parallèle de spécialistes du génie génétique a découvert que le nombre de gènes dans une molécule est exactement de 32 000. Comme vous pouvez le constater, il est encore impossible d’obtenir une réponse définitive. Il y a trop de contradictions. Tous les chercheurs se fient uniquement à leurs résultats.

Y a-t-il eu une évolution ?

Malgré le fait qu'il n'y ait aucune preuve de l'évolution de la molécule (la structure de la molécule d'ADN étant fragile et de petite taille), les scientifiques ont néanmoins émis une hypothèse. Sur la base de données de laboratoire, ils ont exprimé la version suivante : au stade initial de son apparition, la molécule avait la forme d'un simple peptide auto-réplicant, qui comprenait jusqu'à 32 acides aminés trouvés dans les anciens océans.

Après s'auto-réplication, grâce aux forces de sélection naturelle, les molécules ont acquis la capacité de se protéger des éléments extérieurs. Ils ont commencé à vivre plus longtemps et à se reproduire en plus grande quantité. Les molécules qui se retrouvaient dans la bulle lipidique avaient toutes les chances de se reproduire. À la suite d'une série de cycles successifs, les bulles lipidiques ont acquis la forme de membranes cellulaires, puis de particules bien connues. Il convient de noter qu'aujourd'hui, toute section d'une molécule d'ADN est une structure complexe et clairement fonctionnelle, dont les scientifiques n'ont pas encore complètement étudié toutes les caractéristiques.

Monde moderne

Récemment, des scientifiques israéliens ont développé un ordinateur capable d’effectuer des milliards d’opérations par seconde. Aujourd'hui, c'est la voiture la plus rapide du monde. Tout le secret réside dans le fait que cet appareil innovant est alimenté par l’ADN. Les professeurs affirment que dans un avenir proche, ces ordinateurs seront même capables de produire de l'énergie.

Il y a un an, des spécialistes de l'Institut Weizmann de Rehovot (Israël) annonçaient la création d'un ordinateur moléculaire programmable composé de molécules et d'enzymes. Ils ont remplacé les puces en silicium par ces derniers. À ce jour, l’équipe a encore progressé. Désormais, une seule molécule d’ADN peut fournir à un ordinateur les données et le carburant nécessaires.

Les « nanoordinateurs » biochimiques ne sont pas une fiction ; ils existent déjà dans la nature et se manifestent dans chaque créature vivante. Mais souvent, ils ne sont pas gérés par des personnes. Une personne ne peut pas encore opérer sur le génome d’une plante pour calculer, par exemple, le nombre « Pi ».

L’idée d’utiliser l’ADN pour stocker/traiter des données est venue à l’esprit des scientifiques en 1994. C’est alors qu’une molécule fut utilisée pour résoudre un problème mathématique simple. Depuis, plusieurs groupes de recherche ont proposé divers projets liés aux ordinateurs à ADN. Mais ici, toutes les tentatives étaient basées uniquement sur la molécule énergétique. Vous ne pouvez pas voir un tel ordinateur à l’œil nu ; il ressemble à une solution transparente d’eau dans un tube à essai. Il ne contient aucune pièce mécanique, mais seulement des milliards de dispositifs biomoléculaires - et ce, dans une seule goutte de liquide !

ADN humain

Les gens ont pris conscience du type d’ADN humain en 1953, lorsque les scientifiques ont pu pour la première fois démontrer au monde un modèle d’ADN double brin. Pour cela, Kirk et Watson ont reçu le prix Nobel, puisque cette découverte est devenue fondamentale au XXe siècle.

Au fil du temps, bien sûr, ils ont prouvé qu'une molécule humaine structurée peut ressembler non seulement à la version proposée. Après avoir effectué une analyse ADN plus détaillée, ils ont découvert les formes A-, B- et gaucher Z-. La forme A- est souvent une exception, car elle ne se forme qu'en cas de manque d'humidité. Mais cela n’est possible que dans des études en laboratoire ; pour l’environnement naturel, un tel processus ne peut pas se produire dans une cellule vivante.

La forme en B est classique et est connue sous le nom de chaîne double pour droitier, mais la forme en Z n'est pas seulement tordue dans la direction opposée vers la gauche, mais a également un aspect plus en zigzag. Les scientifiques ont également identifié la forme G-quadruplex. Sa structure ne comporte pas 2, mais 4 threads. Selon les généticiens, cette forme apparaît dans les zones où il y a un excès de guanine.

ADN artificiel

Aujourd’hui, il existe déjà de l’ADN artificiel, qui est une copie identique du vrai ; il suit parfaitement la structure de la double hélice naturelle. Mais contrairement au polynucléotide original, le polynucléotide artificiel ne contient que deux nucléotides supplémentaires.

Étant donné que le doublage a été créé sur la base d’informations obtenues à partir de diverses études d’ADN réel, il peut également être copié, auto-répliqué et évolutif. Les experts travaillent à la création d’une telle molécule artificielle depuis environ 20 ans. Le résultat est une invention étonnante qui peut utiliser le code génétique de la même manière que l’ADN naturel.

Aux quatre bases azotées existantes, les généticiens en ont ajouté deux supplémentaires, créées par modification chimique de bases naturelles. Contrairement à l’ADN naturel, l’ADN artificiel s’est avéré assez court. Il ne contient que 81 paires de bases. Cependant, il se reproduit et évolue également.

La réplication d'une molécule obtenue artificiellement a lieu grâce à la réaction en chaîne par polymérase, mais jusqu'à présent, cela ne se produit pas de manière indépendante, mais grâce à l'intervention de scientifiques. Ils ajoutent indépendamment les enzymes nécessaires audit ADN, en le plaçant dans un milieu liquide spécialement préparé.

Résultat final

Le processus et le résultat final du développement de l’ADN peuvent être influencés par divers facteurs, tels que les mutations. Cela nécessite d'étudier des échantillons de matière afin que le résultat de l'analyse soit fiable et fiable. Un exemple est un test de paternité. Mais on ne peut s’empêcher de se réjouir que les incidents tels que les mutations soient rares. Néanmoins, les échantillons de matière sont toujours revérifiés afin d'obtenir des informations plus précises basées sur l'analyse.

ADN végétal

Grâce aux technologies de séquençage élevé (HTS), une révolution a été réalisée dans le domaine de la génomique : l'isolement de l'ADN des plantes est également possible. Bien entendu, l’obtention d’un ADN de poids moléculaire de haute qualité à partir de matériel végétal pose certaines difficultés en raison du grand nombre de copies d’ADN mitochondrial et chloroplastique, ainsi que du niveau élevé de polysaccharides et de composés phénoliques. Pour isoler la structure que nous considérons dans ce cas, diverses méthodes sont utilisées.

Liaison hydrogène dans l'ADN

La liaison hydrogène dans la molécule d’ADN est responsable de l’attraction électromagnétique créée entre un atome d’hydrogène chargé positivement et attaché à un atome électronégatif. Cette interaction dipolaire ne répond pas au critère d'une liaison chimique. Mais cela peut se produire de manière intermoléculaire ou dans différentes parties de la molécule, c’est-à-dire intramoléculaire.

Un atome d'hydrogène s'attache à l'atome électronégatif qui est le donneur de la liaison. Un atome électronégatif peut être de l’azote, du fluor ou de l’oxygène. Grâce à la décentralisation, il attire le nuage d'électrons du noyau d'hydrogène vers lui et rend l'atome d'hydrogène (partiellement) chargé positivement. Puisque la taille de H est petite par rapport à celle des autres molécules et atomes, la charge est également petite.

Décodage de l'ADN

Avant de déchiffrer une molécule d’ADN, les scientifiques prélèvent d’abord un grand nombre de cellules. Pour le travail le plus précis et le plus réussi, il en faut environ un million. Les résultats obtenus au cours de l'étude sont constamment comparés et enregistrés. Aujourd’hui, le décodage du génome n’est plus une rareté, mais une procédure accessible.

Bien entendu, déchiffrer le génome d’une seule cellule est un exercice peu pratique. Les données obtenues lors de telles études n'intéressent pas les scientifiques. Mais il est important de comprendre que toutes les méthodes de décodage actuellement existantes, malgré leur complexité, ne sont pas assez efficaces. Ils vous permettront de lire seulement 40 à 70 % de l’ADN.

Cependant, des professeurs de Harvard ont récemment annoncé une méthode permettant de déchiffrer 90 % du génome. La technique est basée sur l'ajout de molécules d'amorce aux cellules isolées, à l'aide desquelles la réplication de l'ADN commence. Mais même cette méthode ne peut pas être considérée comme une réussite ; elle doit encore être affinée avant de pouvoir être ouvertement utilisée en science.

MOSCOU, 25 avril - RIA Novosti, Tatiana Pichugina. Il y a exactement 65 ans, les scientifiques britanniques James Watson et Francis Crick publiaient un article sur le déchiffrement de la structure de l'ADN, jetant ainsi les bases d'une nouvelle science : la biologie moléculaire. Cette découverte a beaucoup changé dans la vie de l'humanité. RIA Novosti parle des propriétés de la molécule d'ADN et de son importance.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, la biologie était une science très jeune. Les scientifiques commençaient tout juste à étudier la cellule et les idées sur l'hérédité, bien que déjà formulées par Gregor Mendel, n'étaient pas largement acceptées.

Au printemps 1868, un jeune médecin suisse, Friedrich Miescher, arrive à l'Université de Tübingen (Allemagne) pour s'engager dans des travaux scientifiques. Il avait l’intention de découvrir de quelles substances est constituée une cellule. Pour les expériences, j'ai choisi des leucocytes, faciles à obtenir à partir du pus.

En séparant le noyau du protoplasme, des protéines et des graisses, Miescher a découvert un composé à haute teneur en phosphore. Il a appelé cette molécule nucléine (« noyau » en latin – noyau).

Ce composé présentait des propriétés acides, d’où le terme « acide nucléique ». Son préfixe « désoxyribo » signifie que la molécule contient des groupes H et des sucres. Ensuite, il s’est avéré qu’il s’agissait en réalité de sel, mais ils n’ont pas changé le nom.

Au début du 20ème siècle, les scientifiques savaient déjà que la nucléine est un polymère (c'est-à-dire une très longue molécule flexible d'unités répétitives), les unités sont composées de quatre bases azotées (adénine, thymine, guanine et cytosine) et la nucléine est contenu dans les chromosomes - des structures compactes présentes dans les cellules en division. Leur capacité à transmettre des caractères héréditaires a été démontrée par le généticien américain Thomas Morgan lors d'expériences sur les mouches des fruits.

Le modèle qui a expliqué les gènes

Mais ce que fait l’acide désoxyribonucléique, ou ADN en abrégé, dans le noyau cellulaire n’a pas été compris depuis longtemps. On pensait qu’il jouait un rôle structurel dans les chromosomes. Les unités de l'hérédité – les gènes – étaient attribuées à une nature protéique. La percée a été réalisée par le chercheur américain Oswald Avery, qui a prouvé expérimentalement que le matériel génétique est transféré de bactérie à bactérie via l'ADN.

Il est devenu évident que l’ADN devait être étudié. Mais comment? A cette époque, seuls les rayons X étaient accessibles aux scientifiques. Pour éclairer les molécules biologiques avec, il fallait les cristalliser, ce qui est difficile. La structure des molécules protéiques a été déchiffrée à partir des diagrammes de diffraction des rayons X au laboratoire Cavendish (Cambridge, Royaume-Uni). Les jeunes chercheurs qui y travaillaient, James Watson et Francis Crick, ne disposaient pas de leurs propres données expérimentales sur l'ADN. Ils ont donc utilisé les images radiographiques de leurs collègues du King's College, Maurice Wilkins et Rosalind Franklin.

Watson et Crick ont ​​proposé un modèle de structure de l'ADN qui correspondait exactement aux modèles de rayons X : deux brins parallèles tordus en une hélice droite. Chaque chaîne est composée d'un ensemble aléatoire de bases azotées enfilées sur un squelette constitué de leurs sucres et phosphates, et est maintenue ensemble par des liaisons hydrogène entre les bases. De plus, l'adénine se combine uniquement avec la thymine et la guanine avec la cytosine. Cette règle est appelée principe de complémentarité.

Le modèle de Watson et Crick expliquait les quatre fonctions principales de l'ADN : la réplication du matériel génétique, sa spécificité, le stockage de l'information dans la molécule et sa capacité à muter.

Les scientifiques ont publié leur découverte dans la revue Nature le 25 avril 1953. Dix ans plus tard, ils reçoivent, avec Maurice Wilkins, le prix Nobel de biologie (Rosalind Franklin est décédée en 1958 d'un cancer à l'âge de 37 ans).

« Aujourd’hui, plus d’un demi-siècle plus tard, nous pouvons affirmer que la découverte de la structure de l’ADN a joué le même rôle dans le développement de la biologie que la découverte du noyau atomique en physique a conduit à l’élucidation de la structure de l’atome. la naissance d’une nouvelle physique quantique et la découverte de la structure de l’ADN ont conduit à la naissance d’une nouvelle physique, la biologie moléculaire », écrit Maxim Frank-Kamenetsky, généticien exceptionnel, chercheur en ADN et auteur du livre « The Molécule la plus importante.

Code génétique

Il ne restait plus qu’à découvrir comment fonctionnait cette molécule. On savait que l'ADN contient des instructions pour la synthèse des protéines cellulaires, qui effectuent tout le travail dans la cellule. Les protéines sont des polymères constitués d’ensembles répétitifs (séquences) d’acides aminés. De plus, il n’y a que vingt acides aminés. Les espèces animales diffèrent les unes des autres par l'ensemble des protéines présentes dans leurs cellules, c'est-à-dire par les différentes séquences d'acides aminés. La génétique affirmait que ces séquences étaient déterminées par des gènes, qui étaient alors considérés comme les éléments constitutifs de la vie. Mais personne ne savait exactement ce qu’étaient les gènes.

La clarté a été apportée par l'auteur de la théorie du Big Bang, le physicien Georgiy Gamow, employé de l'Université George Washington (États-Unis). Sur la base du modèle d'hélice d'ADN double brin de Watson et Crick, il a suggéré qu'un gène est une section d'ADN, c'est-à-dire une certaine séquence de liaisons - des nucléotides. Puisque chaque nucléotide est l’une des quatre bases azotées, il nous suffit de comprendre comment quatre éléments codent pour vingt. C'était l'idée du code génétique.

Au début des années 1960, il a été établi que les protéines sont synthétisées à partir d’acides aminés dans les ribosomes, une sorte d’« usine » à l’intérieur de la cellule. Pour commencer la synthèse des protéines, une enzyme s'approche de l'ADN, reconnaît une certaine section au début du gène, synthétise une copie du gène sous forme de petit ARN (on l'appelle matrice), puis la protéine est cultivée dans le ribosome à partir de acides aminés.

Ils ont également découvert que le code génétique est composé de trois lettres. Cela signifie qu’un acide aminé correspond à trois nucléotides. L'unité de code s'appelle un codon. Dans le ribosome, les informations provenant de l’ARNm sont lues codon par codon, de manière séquentielle. Et chacun d’eux correspond à plusieurs acides aminés. À quoi ressemble le chiffre ?

Marshall Nirenberg et Heinrich Mattei des États-Unis ont répondu à cette question. En 1961, ils ont présenté leurs résultats pour la première fois lors du congrès de biochimie de Moscou. En 1967, le code génétique avait été complètement déchiffré. Il s’est avéré universel pour toutes les cellules de tous les organismes, ce qui a eu des conséquences considérables pour la science.

La découverte de la structure de l’ADN et du code génétique a complètement réorienté la recherche biologique. Le fait que chaque individu possède une séquence d’ADN unique a révolutionné la science médico-légale. Le déchiffrement du génome humain a offert aux anthropologues une méthode entièrement nouvelle pour étudier l’évolution de notre espèce. L'éditeur d'ADN récemment inventé, CRISPR-Cas, a considérablement avancé le génie génétique. Apparemment, cette molécule contient la solution aux problèmes les plus urgents de l’humanité : cancer, maladies génétiques, vieillissement.