Fiche d’information : ADN-ARN-Protéine

Résumé /Points clés

  • L’ADN est le matériel génétique de tous les organismes cellulaires.
  • L’ARN fonctionne comme un vecteur d’information ou un « messager ».
  • L’ARN a plusieurs rôles.
  • L’ARN ribosomique (ARNr) est impliqué dans la synthèse des protéines.

Introduction

À la base, tous les organismes de la planète ont des mécanismes très similaires par lesquels ils manipulent leurs informations génétiques et les utilisent pour créer les éléments constitutifs d’une cellule. Les organismes stockent des informations sous forme d’ADN, libèrent ou transportent des informations sous forme d’ARN et transforment les informations en protéines qui remplissent la plupart des fonctions des cellules (par exemple, certaines protéines accèdent et exploitent également la banque d’ADN). Ce « dogme central » de la biologie moléculaire est un modèle extrêmement simpliste, mais utile pour suivre le flux d’informations dans les systèmes biologiques. Parmi les principales caractéristiques :

1. L’ADN est le matériel génétique de tous les organismes cellulaires.

cytosine
La cytosine, un nucléotide

L’acide désoxyribonucléique (ADN) est la substance matérielle de l’héritage. Tous les organismes cellulaires utilisent l’ADN pour coder et stocker leurs informations génétiques. L’ADN est un composé chimique qui ressemble à une longue chaîne, les maillons de la chaîne étant constitués d’unités chimiques individuelles appelées nucléotides. Les nucléotides eux-mêmes ont trois composants: un sucre (désoxyribose), un phosphate et une nucléobase (souvent simplement appelée base).

Les bases se présentent sous quatre formes chimiques appelées adénine, cytosine, guanine et thymine, qui sont souvent simplement abrégées en A, C, G et T. L’ordre, ou « séquence”, des bases code l’information dans l’ADN.

Double hélice d'ADN
double hélice d’ADN

Tous les organismes vivants stockent l’ADN sous une forme duplex sûre, stable : la fameuse « double hélice”, dans laquelle deux chaînes (également appelées brins) d’ADN s’enroulent les uns autour des autres. Les deux brins d’ADN sont disposés avec les bases de l’un alignées avec les bases de l’autre. Les composants en sucre et en phosphate remontent à l’extérieur comme des rails incurvés, les bases correspondantes formant des rails en forme d’échelle au centre. (Remarque – certains virus ont leur matériel génétique sous la forme d’un seul brin d’ADN).

Appariement de bases nucléotidiques
Appariement de bases nucléotidiques

La forme et la charge des bases font que A se lie faiblement à T et que C se lie faiblement à G. Les bases d’un brin d’une hélice d’ADN sont essentiellement une image miroir des bases de l’autre brin – lorsqu’il y a un A dans un brin, il y a un T dans l’autre; lorsqu’il y a un C dans un brin, il y a un G dans l’autre. Ces règles de « couplage de base » sont la clé pour comprendre comment l’ADN transporte des informations et est copié dans un nouveau brin d’ADN (une cellule doit copier son ADN avant de se diviser en deux cellules). Lorsque les organismes copient leurs génomes, les enzymes séparent les deux brins de la double hélice, écartant les bases appariées. D’autres enzymes démarrent de nouveaux brins d’ADN, en utilisant les règles d’appariement de base pour créer une nouvelle image miroir de chacun des brins d’origine. Des erreurs dans ce processus peuvent entraîner des mutations (modifications de la séquence génomique entre les générations). De nombreux organismes possèdent des mécanismes de vérification des erreurs qui analysent l’ADN nouvellement répliqué à la recherche d’erreurs et les corrigent, limitant ainsi considérablement le nombre de mutations qui surviennent en raison d’erreurs de réplication.

2. L’ARN « porte » des informations
L’ADN détient des informations, mais il n’applique généralement pas activement ces informations. L’ADN ne fait pas les choses. Pour extraire l’information et l’amener à l’emplacement de la machinerie cellulaire qui peut exécuter ses instructions (généralement les plans d’une protéine, comme nous le verrons ci-dessous), le code d’ADN est « transcrit” en une séquence correspondante dans une molécule « porteuse” appelée acide ribonucléique, ou ARN. Les portions d’ADN qui sont transcrites en ARN sont appelées « gènes”.

Transcription
L’ADN est transcrit en ARN

L’ARN est très similaire à l’ADN. Il ressemble à une longue chaîne, les maillons de la chaîne étant constitués de nucléotides individuels. Les nucléotides de l’ARN, comme de l’ADN, sont constitués de trois composants : un sucre, un phosphate et une base. Le sucre dans l’ARN est le ribose au lieu du dexoyribose plus stable dans l’ADN, ce qui contribue à rendre l’ARN à la fois plus flexible et moins durable.

Comme dans l’ADN, dans l’ARN, les bases se présentent sous quatre formes chimiques, et l’information contenue dans l’ARN est codée dans la séquence dans laquelle ces bases sont disposées. Comme dans l’ADN, dans l’ARN, on trouve de l’adénine (A), de la cytosine (C) et de la guanine (G). Cependant, dans l’ARN, l’uracile (en abrégé U) prend la place de la thymine (T) (le commutateur permet à l’ARN des propriétés spéciales que nous n’aborderons pas ici, au prix de le rendre moins stable que l’ADN). Les cellules produisent des messages d’ARN dans un processus similaire à la réplication de l’ADN. Les brins d’ADN sont séparés à l’emplacement du gène à transcrire, et les enzymes créent l’ARN messager à partir de la séquence de bases d’ADN en utilisant les règles d’appariement des bases.

3. Les molécules d’ARN fabriquées dans une cellule sont utilisées de diverses manières.

Pour nos besoins ici, il existe trois types clés d’ARN: ARN messager, ARN ribosomique et ARN de transfert. L’ARN messager (ARNm) porte les instructions de fabrication des protéines. Comme l’ADN, les protéines sont des polymères: de longues chaînes assemblées à partir d’unités moléculaires préfabriquées, qui, dans le cas des protéines, sont des acides aminés. Une grande machine moléculaire* appelée ribosome traduit le code de l’ARNm et assemble les protéines. Les ribosomes lisent le message dans l’ARNm en « mots” de trois lettres appelés codons, qui se traduisent par des acides aminés spécifiques, ou une instruction pour arrêter de fabriquer la protéine. Chaque disposition possible de trois lettres de A, C, U, G (p. ex., AAA, AAU, GGC, etc.) est une instruction spécifique, et la correspondance de ces instructions et des acides aminés est connue sous le nom de « code génétique ». »Bien qu’il existe des exceptions ou des variations sur le code, le code génétique standard est vrai dans la plupart des organismes.

Codons
Codons d’ARNm

Les ribosomes se trouvent dans tous les organismes cellulaires et leur structure et leur fonction sont incroyablement similaires dans toute la vie. En fait, l’extrême similitude des ribosomes dans toute la vie est l’une des preuves que toute la vie sur la planète descend d’un ancêtre commun.

*Les biologistes désignent souvent les protéines, en particulier les grands complexes de protéines, qui se déplacent, tournent, font levier ou utilisent généralement de l’énergie pour effectuer un travail, comme des « machines”. Les biologistes ne veulent pas dire que de telles molécules sont conçues. « Machine » est une métaphore utile pour de telles fonctions, et plus simple et plus éclairante que « complexe de grosses molécules qui traduit l’énergie stockée chimiquement en pièces mobiles »”

4. Les ribosomes fabriquent des protéines à l’aide d’ARN ribosomique (ARNr).
Le ribosome lit les instructions trouvées dans les molécules d’ARN messagers d’une cellule et construit des protéines à partir de ces ARNm en liant chimiquement les acides aminés (ce sont les éléments constitutifs des protéines) dans l’ordre défini par l’ARNm. Les molécules d’ARN messager sont plus longues que les instructions de séquence de protéines codées et comprennent des instructions au ribosome pour « démarrer” et « arrêter” la construction de la protéine. Au sein d’un organisme particulier, il peut y avoir des centaines, des milliers ou des dizaines de milliers d’ARNM distincts qui conduisent à des protéines distinctes. La diversité de forme et de fonction dans les organismes est déterminée en grande partie par les types de protéines fabriquées ainsi que par la régulation de l’endroit et du moment où ces protéines sont fabriquées.

Le ribosome qui convertit l’ARNm en protéines est volumineux et complexe. Il contient plus de cinquante protéines (le nombre exact varie selon les espèces) dans deux sous-unités principales (généralement appelées sous-unités grande et petite). En plus des protéines, chaque sous-unité comprend des molécules d’ARN spéciales, appelées ARN ribosomiques (ARNr) car elles fonctionnent dans le ribosome. Ils ne contiennent pas d’instructions pour fabriquer une protéine spécifique (ce ne sont pas des ARN messagers), mais font plutôt partie intégrante de la machinerie des ribosomes utilisée pour fabriquer des protéines à partir d’ARNM. Pour plus d’informations sur l’ARN ribosomique, voir ici. Pour plus d’informations sur la façon dont nous utilisons les séquences d’ARN ribosomiques dans les études évolutives et l’échantillonnage environnemental, cliquez ici.

ARN de transfert (ARNt)
ARN de transfert (ARNt)

Les ribosomes ne lisent pas directement les instructions présentes dans l’ARNm – ils ont besoin de l’aide d’un autre type d’ARN dans les cellules. Transférer les ARN (ARNt) couplent les acides aminés à leurs codes ARN. Chaque codon est censé être converti en un acide aminé spécifique dans une protéine ou en une instruction spécifique au ribosome (par exemple, start, stop, pause, etc.). À une extrémité, un ARN de transfert présente un codon à trois bases. De l’autre, il saisit l’acide aminé correspondant. Les ARN de transfert « lisent », ou ” traduisent », l’ARN messager par appariement de bases, l’attraction chimique de A pour T et de C pour G, tout comme la séquence d’ARN est ”transcrite » à partir de l’ADN par appariement de bases. Le ribosome agit comme une pince géante, maintenant tous les joueurs en position, et facilitant à la fois l’appariement des bases entre les ARN messagers et de transfert, et la liaison chimique entre les acides aminés. La fabrication de protéines en lisant des instructions dans l’ARNm est généralement connue sous le nom de « traduction.”

Traduction
L’ARNm est traduit en protéine

Ce document a été produit par microBEnet. Il a été écrit par Jonathan Eisen et édité par David Coil et Elizabeth Lester avec les commentaires de Hal Levin.

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