Fonctions cellulaires ADN et ARN

FONCTIONS CELLULAIRES DE L'ADN ET DE L'ARN

I. Introduction

A. Définition

• Toutes les cellules vivantes contiennent des acides nucléiques constitués par :
• L'acide ribonucléique (ARN)
• Et l'acide désoxyribonucléique (ADN)
• Ces acides nucléiques ont une double fonction :
• Assurer la transmission des caractères génétiques lors de la division cellulaire
• Assurer la synthèse des protéines conformément au code génétique contenu dans l'ADN

B. Intérêt

• Le mécanisme de codage de l'information génétique et de la synthèse des protéines est universel.
• Les acides nucléiques peuvent être sujets à des modifications de leurs séquences appelées mutations génétiques, qui peuvent être transmises à la descendance.
• Les processus de synthèse protéique jouent un rôle important dans l'infection virale, la cancérisation et l'immunité.

II. Structure des acides nucléiques

A. ADN

1. Structure primaire

• Enchaînement linéaire de nucléotides formant un filament non ramifié.
• Chaque nucléotide résulte de l'union :
• Du désoxyribose,
• D'acide phosphorique
• Et d'une base azotée : purique (adénine et guanine) ou pyrimidique (cytosine et thymine).

2.Structure secondaire

• Deux filaments de polynucléotides enroulés l'un sur l'autre en une double hélice.
• Chaque hélice est formée par les nucléotides unis par leurs désoxyriboses au moyen des molécules d'acide phosphorique.
• Les deux hélices sont réunies par des liaisons hydrogène qui se forment entre des bases azotées de complémentarité bien définie : l'adénine est reliée à la thymine et la guanine à la cytosine.

3. Structuretertiaire

• Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines basiques ou histones.
• La structure tertiaire résulte d'enroulements successifs de la double hélice.

B. ARN

1. Structure

• Assemblage de multiples nucléotides dont le pentose est le ribose, et où la thymine est remplacée par l'uracile, complémentaire de l'adénine.
• Structure primaire : enchaînement linéaire de ces nucléotides.
• Structure secondaire : variable.

2. Différentes variétés d'ARN

a. ARN de transfert ou ARN t

• Représente 30 à 40 % de l'ARN total.
• Constitué d'une chaîne nucléotidique repliée sur elle-même en forme de trèfle, avec deux extrémités et une boucle :
• Les deux extrémités ont une structure primaire constante : deux acides cytidiliques et un acide adénylique à une extrémité, un acide guanylique à l'autre extrémité ; c'est le site d'accrochage des acides aminés.
• Au niveau de la boucle, il existe une séquence de trois bases, spécifique de l'acide aminé transporté, constituant l'anticodon.

b. ARN messager ou ARN m

• Représente 1% de l'ARN total.
• Formé d'une chaîne de polynucléotides complémentaires de l'ADN qui lui a donné naissance.

NB : lesanticodons des ARN t se fixent, selon la loi de complémentarité, sur les triplets de l'ARN m.

c. ARN ribosomique ou ARN r

• Représente 60 à 70% de l'ARN total.
• Formé de deux sous-unités : une sous-unité de 40 S et une sous-unité de 60 S.

III. Répartition cellulaire de l'ADN et de l'ARN

A. Méthodes d'étude

• Colorations spécifiques.
• Méthodes auto-histo-radiographiques par incorporation de substances spécifiques marquées par un isotope radioactif.
• Analyse chimique après ultracentrifugation différentielle.

B. Résultats

• L'ADNest presque exclusivement nucléaire et il entre dans la constitution des chromosomes ; cependant, les mitochondries contiennent également de l'ADN.
• L'ARN est également localisé dans le noyau au niveau des chromosomes et de la substance nucléaire, mais sa localisation principale est le cytoplasme au niveau du réticulum endoplasmique et des mitochondries.

IV. Fonctions des acides nucléiques

• L'ADN a un double rôle : d'une part, il contient l'information génétique et en assure la permanence au cours des divisions cellulaires ; d'autre part, ilpermet la biosynthèse des protéines.
• Il présente plusieurs régions ayant des fonctions différentes :
• Les gènes de structure, codant les protéines par l'intermédiaire de l'ARN m.
• Les régions codant les ARN ribosomiqueet de transfert.
• Les régions permettant la régulation de la synthèse protéique.

A. Transfert de l'information génétique

1. L'ADN est le support du code génétique

• Le code génétique permet de relier l'information génétique contenue dans l'ADN et la structure primaire des protéines. Il est constitué par l'enchaînement des nucléotides, qui correspond à l'enchaînement des acides aminés.
• Un acide aminé est codé par un triplet denucléotides. L'existence de quatre nucléotides différents permet la constitution de 64 triplets différents.
• Comme il existe 20 acides aminés, plusieurs triplets codent le même aminoacide : le code est dégénéré.
• Par contre, il n'est pas ambigu, car aucun triplet ne code plusieurs acides aminés à la fois.

• La lecture s'effectue sans ponctuation, sans chevauchement, dans le sens $5'-3'$ :
• La délétion ou l'insertion d'un nucléotide se traduitpar un non-sens dans toute la suite du message.
• La délétion ou l'insertion de trois nucléotides ne rend illisible que la partie du message où elle se produit.

• Trois codons ne correspondent à aucun acide aminé : ils sontdits codons-stop et leur présence permet d'arrêter la synthèse protéique au niveau du ribosome.

2. La permanence et la transmission du code génétique sont assurées par la propriété de réplication de l'ADN

a. Au cours de la mitose

• Durant la phase S, il existe une duplication du stock d'ADN grâce à une autosynthèse.
• La réplication est semi-conservative : elle aboutit à la formation de deux molécules d'ADN contenant chacune un brin ancien (brin parent)et un brin nouveau (brin fils ou brin néoformé).
• Elle commence en plusieurs points de la double hélice : là où les deux brins se séparent, constituent les points d'initiation.
• La synthèse progresse à partir de ces points d'initiation et l'enchaînement des nucléotides est assuré par l'ADN polymérase.

• La phase S est suivie d'une phase G2, durant laquelle la cellule est tétraploïde.
• Cette phase G2précède la phase M ou mitose pendant laquelle le stock d'ADN doublé est réparti de façon égale entre les deux cellules filles, assurant la transmission du code génétique.

b. Au cours de la méiose, lors de la formation des gamètes

• L'absence de synthèse de l'ADN entre la première et la deuxième division de la méiose explique que chaque gamète ne contient que N chromosomes.
• Ceci permet la fécondation avec formation d'une cellule à 2N chromosomes dont la teneur en ADN reste constante d'une génération à l'autre.

3. Régulation de la réplication de l'ADN

• Il existerait un gène réplicateur qui provoquerait le dédoublement de la double hélice.
• La réplication est bloquée par diverses substances, comme l'actinomycine D, le 5-fluoro-uracile.

B. Biosynthèse des protéines

1. Généralités

• La fonction de biosynthèse des protéines est fondamentale car les protéines sont l'expression del'information contenue dans le génotype ; c'est grâce à ce mécanisme que sont édifiées les protéines de structure et les protéines enzymatiques.
• Les ARN interviennent dans la synthèse des protéines. À chaque type d'ARN correspond un gène dans l'ADN responsablede sa transcription.

2. Mécanisme de la biosynthèse

a. Transcription

• L'ARN polymérase permet la transcription de l'ADN en ARN m.
• Cette transcription se fait sur le brin dit « brin sens» dans le sens $3'-5'$ à partir d'un site promoteur.
• À l'issue, l'ARN m subit des modifications transcriptionnelles dont une polyadénylation ou formation de la queue poly A à l'extrémité $3'$ et une formation de la coiffe à l'extrémité $5'$, qui contribuent à protéger l'ARN m des dégradations exonucléasiques.

b. Transmission de l'information génétique aux ribosomes

• L'ARN m sort du noyau et se fixe sur le polysome sur la sous-unité 40S de chaque ribosome.
• Les acides aminés qui devront prendre part à cette synthèse sont d'abord activés en présence de Mg²⁺ et d'ATP pour former un complexe enzyme-AMP-aminoacyl. Puis, grâceà l'aminoacyl-ARNt-synthétase, l'acide aminé activé est fixé sur son ARN t formant le complexe acide aminé-ARN t.

c. Synthèse protéique proprement dite

1. Initiation : il existe deux sites de fixation del'ARN t sur la sous-unité 60 S : le site P et le site A. La traduction commence lorsque le complexe acide aminé-ARN t portant l'anticodon spécifique du codon de départ de l'ARN m se fixe sur celui-ci. Cette étapenécessite des facteurs d'initiation, du GTP et du Mg²⁺.
2. Élongation : l'ARN m est lu dans le sens $5'-3'$ codon par codon et la séquence d'acides aminés résultant de cette lecture se loge dans le site P. Cettelecture nécessite des facteurs protéiques et du GTP.
3. Terminaison : à la reconnaissance d'un signal de terminaison (codon-stop), le peptide formé se détache, le ribosome se dissocie en ses sous-unités et l'ARN m est détruit. Cette terminaison nécessitedes facteurs de libération.

C. Régulation de la synthèse des protéines

Elle est double :

• Qualitative, expliquant la spécialisation de certaines cellules : toutes les cellules de l'organisme possèdent le même génome, mais,selon leur différenciation, elles synthétisent des protéines différentes correspondant à une spécialisation de la fonction cellulaire.
• Quantitative, par des systèmes inducteurs et répresseurs.

V. Conclusion

• L'ADN et l'ARN sont desmolécules fondamentales pour la vie.
• L'ADN stocke et transmet l'information génétique.
• L'ARN joue un rôle crucial dans l'expression de cette information sous forme de protéines.
• La compréhension de ces mécanismes est essentielle pour la médecine et la recherchebiologique.