Introduction

Nous sommes tous issus d’une cellule unique, la cellule œuf, résultat de la fécondation d’un ovule et d’un spermatozoïde. Cette cellule contient toute l’information génétique qui fera de chacun d’entre nous un être vivant unique. Cette information dans sa totalité est transmise dans les cellules lors des divisions cellulaires successives ou mitoses. Cependant, une cellule, selon sa différenciation, n’exprimera qu’une partie de cette information génétique localisée dans son noyau. L’information génétique est contenue dans les chromosomes. Les cellules humaines en possèdent 46 ou 23 paires. Ce nombre est noté 2n = 46 où n est le nombre de paires de chromosomes.

La cellule humaine est une cellule eucaryote mais il existe aussi des êtres vivants procaryotes qui possèdent un matériel génétique dont l’organisation est différente. Cependant les mécanismes de fonctionnement sont très similaires.

Distinction cytologique (figure 3.1)

La cellule eucaryote se distingue par un noyau vrai délimité par une enveloppe nucléaire et contenant de l’ADN sous forme de chromosomes (voir chapitre 2 : La cellule).

Figure 3.1 Schéma général d’une cellule procaryote

1. Mésosome. 2. Paroi. 3. Membrane plasmique. 4. Cytoplasme. 5. Ribosomes. 6. Chromosome circulaire

Les procaryotes comprennent notamment les bactéries dont certaines sont pathogènes c’est-à-dire responsables d’infections (les mycoplasmes parasites de l’appareil respiratoire sont aussi des procaryotes). La cellule procaryote contient un noyau primitif non délimité par une enveloppe et formé d’un seul chromosome circulaire ou nucléoïde. Elle possède également une paroi riche en lipides, polysaccharides et polypeptides. Le cytoplasme est pauvre en organites, à l’exception des ribosomes, qui sont très nombreux.

Éléments facultatifs

D’autres éléments dits facultatifs ne sont présents que chez certaines bactéries :

la capsule protectrice, riche en polysaccharides ;

des mésosomes, replis de la membrane qui jouent un rôle respiratoire en milieu aérobie ;

des pilis, structures rigides qui adhèrent à la membrane plasmique ;

des flagelles, structures qui ont un rôle locomoteur ;

des inclusions cytoplasmiques, riches en réserves (glycogène, lipides…).

Bactéries Gram+ et Gram–

La plus ou moins grande richesse en lipides de la paroi distingue les bactéries Gram+ des bactéries Gram- : les Gram- après coloration au violet de gentiane sont décolorées par l’alcool car la paroi est très riche en lipides. Un traitement à la fuchsine de Ziehl diluée leur donnera ensuite une coloration rouge clair. Les Gram+ ne sont pas décolorées par l’alcool car leur paroi est moins riche en lipides, elles restent colorées en violet. Certains antibiotiques ne sont efficaces que sur l’une ou l’autre des catégories Gram+ ou Gram−.

Localisation de l’information génétique

En 1960, le Dr John Gurdon réalise des expériences de transfert de noyau montrant le rôle de cet organite dans l’expression des caractères des cellules et localisant ainsi l’information génétique dans la cellule (figure 3.2).

Figure 3.2 Expérience de Gurdon

Le biologiste Gurdon travaille sur des amphibiens de l’espèce xénope. Il détruit les noyaux des ovules de femelles de lignée sauvage de couleur brun-vert par irradiation aux UV. Il transplante dans ces ovules des noyaux de cellules d’intestin de têtard d’une lignée albinos (sans pigmentation). Sur 54 œufs préparés 30 ont donné des adultes tous identiques, de même sexe et albinos

Nature biochimique de l’ADN

La molécule d’acide désoxyribonucléique (ADN) contenue dans chaque chromosome est le support chimique de l’information génétique.

L’ADN est étudié par diffraction des rayons X dès 1950. En 1953, Franklin et Wilkins obtiennent une image par diffraction qui montre que l’ADN a une structure en double hélice et Watson et Crick propose un modèle moléculaire (prix Nobel en 1962) (figures 3.3 et 3.4). L’ADN est une macromolécule formée de deux brins spiralés. Chaque brin est un polymère de nucléotides ou plus précisément de désoxyribonucléotides.

Figure 3.3 La double hélice d’ADN

Figure 3.4 Les deux chaines de nucléotides antiparallèles d’une molécule d’ADN

Un nucléotide est formé de trois constituants (figure 3.5) :

un acide phosphorique ou groupement phosphate H₃PO₄ ;

un ose (sucre) à cinq carbones ou pentose, le désoxyribose ;

une base azotée parmi quatre possibles : l’adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G), la thymine (T). A et G sont des bases puriques dont le noyau est formé d’un dérivé de l’acide urique (figure 3.6). C et T sont des bases pyrimidiques formées d’un hétérocycle à six atomes dont deux d’azote (figure 3.7).

Figure 3.5 Enchaînement des trois éléments constituant un nucléotide

Figure 3.6 Le cycle commun et les différentes bases puriques

Figure 3.7 Le cycle commun et les différentes bases pyrimidiques des nucléotides

Les nucléotides sont reliés entre eux dans une même chaîne ou brin par des liaisons entre l’acide phosphorique et le désoxyribose formant ainsi une chaîne polynucléotidique avec une extrémité 3’ et une extrémité 5’. L’extrémité 5’est celle où l’acide phosphorique est lié au C₅ du pentose et l’extrémité 3’ celle où il est lié au C₃.

Les deux brins d’une molécule d’ADN sont reliés entre eux par des liaisons hydrogène entre deux bases complémentaires : la base A s’apparie avec la base T (deux liaisons hydrogène) et la base C avec la base G (trois liaisons hydrogène). Ces liaisons hydrogènes sont de faible énergie c’est-à-dire qui rompent facilement (figure 3.8). Cette complémentarité des bases est universelle, quel que soit l’être vivant considéré, ce qui se traduit dans l’ADN par un nombre de bases A égal à celui de bases T (A = T) et un nombre de bases C égal à celui de bases G (C = G). En revanche, le rapport A + T/C + G n’est pas le même selon les espèces, égal à 1,53 chez l’homme, il vaut 0,91 chez le colibacille (Chargaff, 1950).

Figure 3.8 Structure schématique d’une molécule d’ADN

Les deux brins de l’ADN sont antiparallèles : l’extrémité 5’ d’un brin fait face à l’extrémité 3’ de l’autre brin.

La molécule d’ADN est une double hélice dont le diamètre est de 2 nm et dont la longueur peut aller jusqu’à 5 cm avec dix paires de bases sur une longueur de 3,4 nm. Sa masse molaire est de 10¹³ g. mol⁻¹. Ainsi l’ADN est la molécule la plus longue du monde vivant.

Une cellule humaine possède donc 46 chromosomes qui correspondent à :

46 molécules d’ADN différentes qui représentent une longueur totale de 1,9 m ;

6,5 milliards de nucléotides ;

20 000 à 40 000 gènes (gène = portion d’ADN qui gouverne la synthèse d’une chaîne polypeptidique).

Enroulement et état de condensation de l’ADN

La molécule d’ADN s’associe à des protéines histones pour former des nucléosomes (figure 3.9). Chaque nucléosome est constitué de huit molécules d’histones autour desquelles s’est enroulée sur un tour trois quarts une portion d’ADN longue de 146 paires de bases. L’empilement des nucléosomes donne une structure en « collier de perles » d’un diamètre de 10 nm appelée nucléofilament. Celui-ci s’enroule à son tour pour former une fibre de 30 nm de diamètre appelée solénoïde.

Figure 3.9 Les différents niveaux d’organisation de l’ADN : de la chromatine au chromosome

Bp : paires de bases

Au cours du cycle cellulaire l’ADN est plus ou moins condensé. Pendant l’interphase l’ADN est visible sous forme de chromatine. Pendant la mitose l’ADN condensé est visible sous forme de chromosomes (figure 3.10).

Figure 3.10 Chromosome métaphasique

L’acide ribonucléique (ARN)

L’ARN est un autre acide nucléique nécessaire à la synthèse des protéines. Cette molécule présente plusieurs différences avec l’ADN :

l’ARN est une molécule plus courte que l’ADN ;

il n’est formé que d’un brin en hélice ;

l’ose est un ribose (figure 3.11) ;

les bases azotées sont A, C, G et l’uracile U spécifique de l’ARN, qui prend la place de la thymine.

Figure 3.11 Structure cyclique d’un pentose, du D-ribose et du 2’-désoxy-D-ribose

Il existe plusieurs ARN : l’ARN messager ou ARNm, l’ARN ribosomique ou ARNr, l’ARN de transfert ou ARNt et d’autres petits ARN non codants participant à l’épissage (voir La synthèse des protéines, p. 106), à la synthèse d’autres ARN ou encore à leur inactivation voire leur dégradation.

L’ARNm, molécule qui transmet l’information génétique du noyau dans le cytoplasme jusqu’aux ribosomes a une durée de vie très courte. Une séquence de trois ribonucléotides successifs constitue un triplet de ribonucléotides ou codon.

Les ARNr (figure 3.12) qui forment avec des protéines les ribosomes, sont des particules constituées de deux sous-unités, une petite sous-unité de 40 S (S pour « svedberg », unité de mesure de la vitesse de sédimentation) et une grosse sous-unité de 60 S chez les eucaryotes.

Figure 3.12 Les ARNr et protéines-r

Les ARNt (figure 3.13) qui portent les acides aminés véhiculent ces derniers jusqu’aux ribosomes où ils sont incorporés dans la chaîne polypeptidique. Ils contiennent un groupe de trois ribonucléotides successifs ou triplet de ribonucléotides appelé anticodon. Un anticodon s’apparie avec un codon de l’ARNm par complémentarité des bases. L’acide aminé est fixé à l’extrémité 3’ de l’ARNm par une liaison ester (figure 3.14).

Figure 3.13 Structure primaire schématique d’une molécule d’ARNt

Figure 3.14 L’anticodon (sur l’ARNt) est complémentaire et antiparallèle au codon (sur l’ARNm)

L’ADN mitochondrial

Les mitochondries contiennent aussi de l’ADN. Cet ADNmt est circulaire et bicaténaire comme celui des procaryotes. Par contre le code génétique est différent de celui de l’ADN du noyau et les gènes ne contiennent pas d’introns (Voir p. 108). Le génome mitochondrial code certaines enzymes et deux ARNr. Il est transmis par la mère car seules les mitochondries maternelles se retrouvent dans la cellule œuf, celles du spermatozoïde restant à l’extérieur de l’ovule. Cet ADNmt peut subir des mutations transmises de la mère à la fille, par exemple des myopathies d’origine mitochondriale.

Génome et mitose

L’ensemble des gènes, c’est-à-dire des molécules d’ADN contenues dans les chromosomes, constituent le génome. Ce génome est transmis dans chaque cellule fille lors de la mitose. Dans le noyau les molécules d’ADN se répliquent, donnant deux molécules filles identiques formant les deux chromatides de chaque chromosome. Chaque molécule fille migre dans une cellule fille pendant la division. Pendant cette réplication des erreurs peuvent survenir donnant naissance à des mutations qui sont en général réparées.

Propriétés de la réplication

La réplication est semi-conservative : chaque nouvelle molécule d’ADN formée est constituée d’un brin matrice (ou ancien brin) et d’un brin néoformé (nouveau brin).

Elle respecte la complémentarité des bases (figure 3.15).

Figure 3.15 Réplication de l’ADN

Elle est bicaténaire et asymétrique : les deux brins de la molécule sont répliqués simultanément. L’allongement du brin en formation (néoformé) se fait dans le sens 5’ → 3’, mais dans la même direction pour les deux brins. Aussi le brin dit « retardé » est répliqué par fragments qui sont ensuite réunis et l’autre brin dit « avancé » est répliqué de façon continue. Ces deux brins sont synthétisés de manière antiparallèle (figure 3.16).

Figure 3.16 La réplication est discontinue pour l’un des deux brins

À partir du point d’initiation la réplication est bidirectionnelle formant des yeux de réplication ou boucles de réplication. La réplication a lieu simultanément en de nombreux points sur un même chromosome (figure 3.17). Cette réplication est rapide : 1 000 nucléotides par seconde.

Figure 3.17 La réplication chez les eucaryotes

Les différentes phases de la réplication

La réplication se déroule en plusieurs phases.

La terminaison

Elle correspond à l’arrêt de la réplication lorsque deux fourches de réplication se rejoignent. Des ligases lient entre eux tous les fragments d’ADN néoformés. Aux extrémités des chromosomes se situent les télomères constitués de séquences répétitives d’ADN. Ces séquences sont peu à peu perdues à chaque réplication. La molécule d’ADN à chacune de ses extrémités est raccourcie d’une dizaine de nucléotides par le fait que l’amorce d’ARN n’est pas remplacée par de l’ADN du côté 5’. Lorsque les chromosomes ont perdu leurs télomères il y a arrêt des divisions. Dans les cellules germinales et les cellules cancéreuses une enzyme, la télomérase, est active (alors qu’elle est inactive dans les cellules normales). Elle permet d’allonger la séquence répétitive située aux extrémités des chromosomes et donc maintient les télomères. Des recherches sur la télomérase sont actuellement en cours pour lutter contre les cancers (figure 3.18).

Figure 3.18 Télomères et télomérases

Les mutations lors de la réplication

Les mutations spontanées sont rares. La réplication fidèle des molécules d’ADN est assurée par les ADN polymérases qui vérifient l’exactitude des nucléotides et assurent leur remplacement en cas d’erreur ainsi que par les systèmes de réparation post-réplicatifs. Cependant quelques rares mutations ne sont pas réparées soit environ trois mutations à chaque réplication du génome humain. Les mutations sont aussi provoquées par des agents mutagènes chimiques ou physiques comme par exemple l’acide nitreux qui transforme des bases azotées en d’autres bases, l’acridine orange qui s’incorpore dans la molécule d’ADN, les UV, les rayons X ou les rayons gamma qui cassent la molécule d’ADN ou bien arrêtent la réplication.

À ces mutations s’ajoutent celles qui ont lieu lors de la transcription (voir La synthèse des protéines).

La réplication de l’ADN bactérien

Elle se fait par le même mécanisme que celui de l’ADN des cellules eucaryotes. La réplication est bidirectionnelle mais ne commence qu’au niveau d’un seul point d’initiation. Les fragments du brin « retardé » sont plus longs (figure 3.19).

Figure 3.19 Formation de l’œil de réplication à partir du point initiateur de la réplication

La transcription

Mécanisme

Les gènes restant dans le noyau, la transcription permet la fabrication d’une copie d’un gène qui sort du noyau par les pores nucléaires pour se retrouver dans le cytoplasme. Cette copie est sous forme d’ARN messager ou ARNm. Plusieurs ARNm d’un même gène sont fabriqués grâce à plusieurs ARN polymérases qui agissent en même temps sur le même gène (figure 3.20).

Figure 3.20 Unité de transcription

Chaque molécule d’ARN polymérase porte une molécule d’ARN primitif (transcrit primitif)

L’ARN polymérase doit reconnaître une séquence de nucléotides (ou de bases) de l’ADN appelée site promoteur pour se lier à l’ADN. Une fois ce site reconnu, l’ARN polymérase s’y fixe et ouvre la molécule d’ADN (sur une distance de 17 paires de bases) par rupture des liaisons hydrogène : on parle de complexe ouvert. Un brin de la molécule d’ADN appelé brin transcrit ou brin non codant sert de modèle pour la fabrication de l’ARNm. Les ribonucléotides libres viennent se positionner en face des désoxyribonucléotides en respectant la complémentarité des bases (l’uracile se positionne en face de l’adénine). Les ribonucléotides se lient entre eux pour former l’ARNm. La lecture du brin transcrit d’ADN se fait dans la direction 3’ → 5’ donc la synthèse de la molécule d’ARNm dans la direction 5’ → 3’. L’ADN se referme au fur et à mesure de la lecture. L’arrêt de la transcription s’effectue par détachement de l’ARN polymérase (mécanisme mal connu).

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