La biologie moléculaire étudie les macromolécules informationnelles — ADN, ARN et protéines — ainsi que les mécanismes qui font circuler l'information génétique entre elles. Ce premier chapitre installe le vocabulaire, la structure chimique des acides nucléiques et leur organisation dans la cellule. Presque toutes les questions de cours du S5 supposent ces bases acquises : structure de la double hélice, complémentarité, polarité 5'→3'.
1. Objet de la biologie moléculaire et dogme central
La biologie moléculaire s'intéresse aux gènes porteurs de l'information génétique, aux macromolécules qui les copient et les expriment, et aux complexes ADN-ARN-protéines. Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un organisme ; le gène en est l'unité fonctionnelle. Le dogme central, formulé par Francis Crick à la fin des années 1950, décrit un flux d'information orienté : l'ADN se copie lui-même par réplication, il est copié en ARN par transcription, et l'ARN messager est décodé en protéine par traduction. La découverte des transcriptases inverses chez les rétrovirus a ajouté une flèche ARN → ADN, sans remettre en cause le principe général.
Ces mécanismes ont d'abord été élucidés chez les bactéries et leurs virus, matériel simple, à génome unique et à croissance rapide. C'est chez Escherichia coli qu'ont été décrits la recombinaison intragénique, la réplication semi-conservative, le code génétique, la régulation par opéron et la plupart des enzymes aujourd'hui utilisées comme outils : enzymes de restriction, ligases, ADN et ARN polymérases, polymérases thermostables. Le développement de la technologie de l'ADN recombinant — prélever un fragment d'ADN, le manipuler in vitro, le réintroduire dans une cellule hôte — a ouvert les applications médicales (protéines recombinantes, vaccins, diagnostic moléculaire) et agronomiques (plantes et animaux transgéniques).
2. Les nucléotides, briques des acides nucléiques
Un nucléotide associe trois éléments : une base azotée, un ose à cinq carbones et un ou plusieurs groupements phosphate. Les bases se répartissent en purines à deux cycles (adénine A, guanine G) et pyrimidines à un cycle (cytosine C, thymine T dans l'ADN, uracile U dans l'ARN). L'ose est le désoxyribose dans l'ADN — il lui manque l'hydroxyle en position 2' — et le ribose dans l'ARN, ce qui explique la plus grande fragilité chimique de l'ARN. L'ensemble base + ose forme un nucléoside ; l'ajout du phosphate sur le carbone 5' donne le nucléotide.
Les nucléotides se polymérisent par des liaisons phosphodiester entre le phosphate porté par le carbone 5' d'un nucléotide et l'hydroxyle libre en 3' du précédent. La chaîne possède donc une polarité : une extrémité 5'-phosphate et une extrémité 3'-OH. Toutes les polymérases connues allongent le brin par son extrémité 3'-OH, en incorporant un nucléoside triphosphate et en libérant un pyrophosphate dont l'hydrolyse fournit l'énergie de la réaction. Retenir cette règle évite la moitié des erreurs de raisonnement sur la réplication et la transcription.
3. La double hélice d'ADN
Les règles de Chargaff (A = T et G = C dans l'ADN de toute espèce) et les clichés de diffraction des rayons X de Rosalind Franklin ont conduit Watson et Crick à proposer en 1953 le modèle de la double hélice. Deux brins polynucléotidiques s'enroulent autour d'un axe commun, antiparallèles (l'un orienté 5'→3', l'autre 3'→5') et complémentaires : A s'apparie à T par deux liaisons hydrogène, G s'apparie à C par trois liaisons hydrogène. Les squelettes sucre-phosphate, hydrophiles, sont tournés vers l'extérieur ; les bases, hydrophobes, sont empilées à l'intérieur.
La forme physiologique majoritaire est l'ADN B : hélice droite d'environ 2 nm de diamètre, avec un espacement de 0,34 nm entre bases successives et environ 10 paires de bases par tour, ce qui donne un pas d'hélice voisin de 3,4 nm. L'enroulement crée un grand sillon et un petit sillon, sites de reconnaissance privilégiés des protéines régulatrices. Il existe aussi une forme A (hélice droite plus compacte, observée en milieu déshydraté) et une forme Z (hélice gauche, séquences alternées purine-pyrimidine).
Appariement obligatoire A-T (ou A-U dans l'ARN) et G-C entre deux brins antiparallèles : la séquence d'un brin détermine entièrement celle de l'autre, ce qui rend possible copie et réparation de l'information.
4. Compaction de l'ADN : nucléoïde et chromatine
Chez les procaryotes, l'ADN est une molécule circulaire unique, condensée en boucles surenroulées dans une région du cytoplasme appelée nucléoïde, associée à des protéines non histones ; s'y ajoutent souvent des plasmides facultatifs. Chez les eucaryotes, l'ADN nucléaire est linéaire et associé à des protéines basiques, les histones, pour former la chromatine. L'unité de base est le nucléosome : environ 146 paires de bases enroulées en un peu moins de deux tours autour d'un octamère d'histones (deux copies de H2A, H2B, H3 et H4), les nucléosomes étant reliés par un ADN de liaison associé à l'histone H1.
Cette structure en « collier de perles » constitue la fibre de 11 nm, elle-même enroulée en fibre de 30 nm, puis organisée en boucles ancrées sur une charpente protéique, jusqu'au chromosome métaphasique. On distingue l'euchromatine, peu condensée et transcriptionnellement active, et l'hétérochromatine, très condensée et généralement silencieuse. Le degré de compaction est donc un premier niveau de régulation de l'expression des gènes.
5. Les différents ARN et leur structure
L'ARN est généralement simple brin, ce qui lui permet de se replier sur lui-même en structures secondaires (tiges-boucles, épingles à cheveux). On sépare les ARN codants — les ARN messagers (ARNm), copies transitoires des gènes destinées à être traduites — des ARN non codants. Parmi ces derniers, les ARN ribosomiques (ARNr) constituent l'ossature catalytique du ribosome : 16S, 23S et 5S chez les procaryotes, 18S, 5,8S, 28S et 5S chez les eucaryotes. Les ARN de transfert (ARNt) assurent la correspondance codon-acide aminé. S'y ajoutent les petits ARN nucléaires (snARN) de l'épissage et les micro-ARN impliqués dans la régulation post-transcriptionnelle.
6. Dénaturation, Tm et hybridation moléculaire
Chauffer une solution d'ADN rompt les liaisons hydrogène et sépare les deux brins : c'est la dénaturation, suivie en spectrophotométrie par l'effet hyperchrome (augmentation de l'absorbance à 260 nm). La température de fusion (Tm) correspond à 50 % de molécules dénaturées ; elle est d'autant plus élevée que la teneur en G + C est grande, puisque chaque paire G-C établit trois liaisons hydrogène au lieu de deux. Un refroidissement lent permet la renaturation ou l'hybridation de brins complémentaires d'origines différentes : ce principe fonde les sondes moléculaires, le Southern blot et le choix des amorces de PCR.
Température à laquelle la moitié des molécules d'ADN d'une solution sont dénaturées en simples brins ; elle augmente avec le pourcentage de bases G et C et avec la force ionique du milieu.
| Critère | ADN | ARN |
|---|---|---|
| Ose | Désoxyribose | Ribose |
| Bases | A, T, G, C | A, U, G, C |
| Structure | Double brin hélicoïdal | Simple brin replié |
| Stabilité | Élevée | Faible (hydrolyse, RNases) |
| Rôle | Stockage de l'information | Expression de l'information |
ADN et ARN : les différences à connaître
- Dogme central : ADN → (réplication) ADN → (transcription) ARN → (traduction) protéine ; transcription inverse ARN → ADN chez les rétrovirus.
- Nucléotide = base + ose + phosphate ; liaison phosphodiester 5'→3' ; toute polymérase allonge par l'extrémité 3'-OH.
- Double hélice : brins antiparallèles et complémentaires, A=T (2 liaisons H), G≡C (3 liaisons H).
- ADN B : diamètre ≈ 2 nm, 0,34 nm entre bases, ≈ 10 pb par tour, grand et petit sillons.
- Nucléosome : ≈ 146 pb autour d'un octamère H2A-H2B-H3-H4 ; H1 sur l'ADN de liaison ; fibre 11 nm puis 30 nm.
- Tm augmente avec le % G+C ; dénaturation suivie par l'effet hyperchrome à 260 nm.
Les épreuves de Biologie moléculaire S5 commencent presque toujours par une question de structure : schéma d'un nucléotide, orientation des brins, nombre de liaisons hydrogène par paire de bases. Piège classique : oublier l'antiparallélisme quand on te demande d'écrire le brin complémentaire — écris toujours les extrémités 5' et 3'. Autre piège fréquent : confondre nucléoside et nucléotide, ou attribuer la thymine à l'ARN.