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ADN : le support de l’information génétique
L’ADN dans toutes les cellules et son extraction ; nucléotides et séquence ; double hélice, complémentarité A–T, C–G et égalités de Chargaff ; dimensions de la molécule ; gène, séquence et information ; universalité de l’ADN et transgenèse.
À propos de cette page
L’ADN, une molécule présente dans toutes les cellules
Rappel. Au collège (4e), tu as vu que l’ADN forme les chromosomes, qu’il s’écrit avec quatre « lettres » A, T, G et C et qu’un gène est un passage de ce texte : chapitre « Génétique : mutations et variabilité ». On ouvre maintenant la molécule elle-même.
Dans le noyau, l’ADN est associé à des protéines autour desquelles il s’enroule : l’ensemble forme les chromosomes. Un chromosome contient une seule molécule d’ADN, très longue, qui porte de nombreux gènes.
Extraire l’ADN. On broie un tissu pour séparer les cellules ; un détergent (liquide vaisselle) détruit les membranes de la cellule et du noyau, ce qui libère l’ADN ; le sel neutralise les charges électriques négatives de l’ADN, ce qui permet aux molécules de se rassembler ; on filtre pour retirer les débris ; on verse enfin doucement de l’alcool glacé : l’ADN, qui n’y est pas soluble, s’y rassemble en une pelote blanche filamenteuse. On travaille au froid pour ralentir les enzymes qui découpent l’ADN.
Des germes de blé broyés dans de l’eau salée avec du liquide vaisselle, filtrés, puis recouverts d’alcool glacé : une pelote blanche apparaît à la limite entre le filtrat et l’alcool. C’est l’ADN des cellules du germe.
Une cellule de feuille contient de l’ADN dans son noyau, mais aussi un petit ADN dans chacune de ses mitochondries et de ses chloroplastes.
Réflexe — pour situer l’ADN, je me demande si la cellule a un noyau ; pour une extraction, je relie chaque étape à son rôle : séparer les cellules, ouvrir les membranes, rassembler l’ADN, le faire apparaître.
Attention — la pelote n’est pas « une molécule d’ADN » que l’on verrait : une molécule ne mesure qu’environ 2 nm de large, bien moins que ce que distinguent l’œil (0,1 mm) ou le microscope optique (0,2 µm). La pelote réunit un nombre immense de molécules. Et un chromosome n’est pas fait que d’ADN : c’est de l’ADN enroulé autour de protéines.
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Les nucléotides, briques de l’ADN
Il existe quatre bases, donc quatre sortes de nucléotides : l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Les quatre nucléotides ne diffèrent que par leur base.
Les nucléotides se lient les uns aux autres par leur sucre et leur phosphate : ils forment un brin, dont le « squelette » alterne sucre et phosphate, les bases étant portées sur le côté. Un brin compte donc autant de sucres et de phosphates que de nucléotides.
L’ordre des nucléotides le long d’un brin est la séquence ; on l’écrit avec les initiales des bases. Aucune règle n’impose cet ordre : le long d’un brin, toutes les séquences sont possibles.
Un nucléotide (schéma simplifié). Les quatre nucléotides de l’ADN ne diffèrent que par leur base.
La séquence GCATTGA compte 7 nucléotides : 2 A, 2 T, 2 G et 1 C ; ce brin contient donc 7 désoxyriboses et 7 groupements phosphate.
Le nucléotide noté « T » est celui dont la base est la thymine ; comme les trois autres, il contient aussi un désoxyribose et un groupement phosphate.
Réflexe — un nucléotide = phosphate + désoxyribose + base ; pour décrire un brin, je compte ses nucléotides de chaque sorte, puis ses sucres et ses phosphates (un de chaque par nucléotide).
Attention — nucléotide ≠ base : la base n’est qu’une des trois parties du nucléotide. Et « quatre nucléotides » veut dire quatre sortes : un brin d’ADN en enchaîne des milliers, voire des millions.
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La double hélice et la complémentarité des bases
Les bases s’associent toujours de la même façon : A face à T, C face à G. On dit qu’elles sont complémentaires. A–T et C–G sont les deux sortes de paires de bases (on dit aussi paires de nucléotides).
Conséquences. La séquence d’un brin impose celle de l’autre, le brin complémentaire. Dans tout ADN à deux brins, il y a autant de A que de T et autant de C que de G : %A = %T et %C = %G, donc %A + %G = %T + %C = 50 %. Ces égalités avaient été mesurées par le biochimiste Erwin Chargaff au tournant des années 1950, avant le modèle de la double hélice qu’elles ont aidé à construire. En revanche, la proportion de A (ou de C) varie d’une espèce à l’autre.
Une portion d’ADN « dépliée » (schéma simplifié, l’hélice n’est pas représentée) : A · T · C · G. Les pointillés représentent les liaisons faibles entre bases complémentaires.
Brin 1 : TGACCA ; brin complémentaire : ACTGGT (T face à A, G face à C, A face à T, C face à G…).
Un ADN à deux brins contient 34 % de A : %T = 34 % ; il reste 100 − 2 × 34 = 32 % pour C et G, soit %C = %G = 32 ÷ 2 = 16 %.
Réflexe — pour écrire le brin complémentaire, je remplace chaque lettre, dans le même ordre : A ↔ T, C ↔ G ; pour un pourcentage, je pars de %A = %T et %C = %G, et le total vaut 100 %.
Attention — le brin complémentaire n’est ni le même brin ni le même brin lu à l’envers : TGACCA a pour complémentaire ACTGGT, pas ACCAGT. %A = %T ne veut pas dire %A = %G ni %A = 25 %. Et ces égalités valent pour la molécule à deux brins, pas pour un brin seul.
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Une molécule très fine et très longue
Longueur d’une molécule = nombre de paires × 0,34 nm ; nombre de tours = nombre de paires ÷ 10. À l’inverse, nombre de paires = longueur en nm ÷ 0,34.
Conversions : 1 µm = 1 000 nm ; 1 mm = 1 000 µm = 1 000 000 nm ; 1 m = 1 000 mm = 1 000 000 000 nm.
Une molécule d’ADN est donc extrêmement fine et extrêmement longue : un lot de chromosomes humains compte environ 3,1 milliards de paires, et une cellule du corps en possède deux lots. Cet ADN, bien plus long que le noyau qui le contient, y est replié et enroulé autour de protéines.
La double hélice (schéma simplifié, pas à l’échelle des atomes) : les barreaux gris sont les paires de bases.
Un gène de 1 500 paires mesure 1 500 × 0,34 = 510 nm, soit 0,51 µm ; il fait 1 500 ÷ 10 = 150 tours d’hélice.
Une molécule de 0,85 mm : 0,85 mm = 850 000 nm ; 850 000 ÷ 0,34 = 2 500 000 paires.
Réflexe — je convertis toujours la longueur en nm avant de diviser par 0,34, puis je vérifie l’ordre de grandeur : une molécule d’ADN est des milliers de fois plus longue que large.
Attention — 0,34 nm est l’écart entre deux paires : une molécule de 1 000 paires, soit 2 000 nucléotides, mesure 340 nm et non 680 nm. Et le diamètre, 2 nm, ne change pas avec la longueur.
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Le gène, une séquence qui porte une information
Un gène est une portion d’ADN, de séquence précise, située à une place déterminée d’un chromosome, qui porte l’information nécessaire à la fabrication d’une protéine. Deux gènes différents diffèrent par leur séquence, et souvent par leur longueur. L’ensemble de l’information génétique d’un être vivant est son génome.
Comme l’ordre est libre le long d’un brin, la variété des séquences est immense : avec quatre nucléotides, une séquence de n nucléotides peut s’écrire de 4 × 4 × … × 4 = 4ⁿ façons.
Toutes les cellules d’un organisme ont le même génome, mais chacune n’en utilise qu’une partie : voir le chapitre « Cellules spécialisées : l’organisme pluricellulaire ».
Les portions AACGTT et ATCGAT ont la même composition (2 A, 2 T, 1 C, 1 G) mais pas la même séquence : elles ne portent pas la même information.
Une séquence de 3 nucléotides peut s’écrire de 4 × 4 × 4 = 4³ = 64 façons différentes.
Réflexe — pour comparer deux portions d’ADN, je compare l’ordre des nucléotides, pas seulement leur nombre ; pour compter les séquences possibles, je multiplie par 4 à chaque nucléotide d’un brin.
Attention — même composition ne veut pas dire même information : c’est l’ordre qui compte. Le brin complémentaire n’ajoute pas d’information, puisqu’il se déduit de l’autre : pour compter les séquences possibles d’une portion à deux brins, on ne compte qu’un brin. Et un génome plus grand ne veut pas dire un être vivant plus complexe.
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L’universalité de l’ADN
Conséquence. Un gène prélevé chez une espèce et introduit dans une autre peut y être lu et y faire fabriquer la même protéine : c’est la transgenèse. L’être vivant qui a reçu le gène est transgénique : c’est un organisme génétiquement modifié (OGM).
L’universalité de l’ADN est un argument en faveur d’une origine commune de tous les êtres vivants, dont la parenté a été vue au collège (chapitre « Évolution : sélection naturelle, hasard et nouvelles espèces »).
En 1978, des chercheurs font fabriquer de l’insuline humaine par des bactéries Escherichia coli auxquelles ils ont transféré des gènes fabriqués en laboratoire, qui portent l’information des deux chaînes de l’insuline humaine. Autorisée en 1982, cette insuline a peu à peu remplacé, pour les personnes diabétiques, celle qu’on extrayait du pancréas de porcs et de bœufs.
L’ADN d’une levure, celui d’un chêne et celui d’un être humain sont faits des quatre mêmes nucléotides : on lit leurs séquences avec la même technique, le séquençage.
Réflexe — même molécule, mêmes nucléotides, même complémentarité chez tous les êtres vivants ; ce qui change d’une espèce à l’autre, c’est la séquence et la longueur.
Attention — universel ne veut pas dire identique : l’ADN d’un humain et celui d’une bactérie ont les mêmes nucléotides mais pas la même séquence. Et un virus n’est pas une cellule : certains virus ont de l’ADN, d’autres n’en ont pas (leur information est portée par une molécule voisine, l’ARN, étudiée en 1re).
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou ont été vues avant.
- Chromosomes, gènes et allèles, ADN « texte à quatre lettres », mutations : vus en 4e, chapitre « Génétique : mutations et variabilité ».
- Même génome dans toutes les cellules d’un organisme, expression d’une partie des gènes : chapitre « Cellules spécialisées : l’organisme pluricellulaire ».
- Allèles, diversité génétique d’une population et comparaison de séquences avec un logiciel : chapitre « Biodiversité : les échelles, de l’écosystème au gène ».
- Mutations et forces évolutives : chapitre « Évolution : les forces évolutives d’une population ».
- Se verra en 1re (spécialité SVT) : la copie de l’ADN avant la division (réplication semi-conservative, expérience de Meselson et Stahl), l’ARN et l’expression des gènes (transcription, code génétique, traduction).
- Toute cellule contient de l’ADN, support de l’information génétique : dans le noyau des eucaryotes (et un peu dans les mitochondries et les chloroplastes), dans le cytoplasme des bactéries ; un chromosome = une molécule d’ADN enroulée autour de protéines.
- Un nucléotide = un groupement phosphate + un désoxyribose + une base : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G) ; un brin enchaîne des nucléotides dans un ordre libre, la séquence.
- L’ADN est une double hélice de deux brins complémentaires : A face à T, C face à G ; d’où %A = %T et %C = %G dans tout ADN à deux brins.
- Diamètre 2 nm ; 0,34 nm entre deux paires ; un tour = 3,4 nm = 10 paires ; longueur = nombre de paires × 0,34 nm.
- Un gène est une portion d’ADN dont la séquence porte une information ; avec quatre nucléotides, n nucléotides donnent 4ⁿ séquences possibles.
- L’ADN est universel : mêmes nucléotides et même structure chez tous les êtres vivants, seules la séquence et la longueur changent ; d’où la transgenèse et l’argument d’une origine commune.
Questions fréquentes
De quoi est fait un nucléotide d’ADN ?
D’un groupement phosphate, d’un sucre, le désoxyribose, et d’une base azotée : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G). Les quatre nucléotides ne diffèrent que par leur base.
Comment écrire le brin complémentaire d’un brin d’ADN ?
On remplace chaque base par sa complémentaire, dans le même ordre : A par T, T par A, C par G, G par C. Le brin complémentaire de GGATC est CCTAG. On ne retourne pas la séquence.
Pourquoi y a-t-il autant de A que de T dans l’ADN ?
Parce que l’ADN est formé de deux brins dont les bases sont associées par paires complémentaires : chaque A d’un brin est face à un T de l’autre, chaque C face à un G. Dans un ADN à deux brins, %A = %T et %C = %G, mais %A varie d’une espèce à l’autre.
Comment calculer la longueur d’une molécule d’ADN ?
On multiplie le nombre de paires de bases par 0,34 nm, l’écart entre deux paires voisines ; le nombre de tours d’hélice est le nombre de paires divisé par 10. Puis on convertit : 1 µm = 1 000 nm, 1 mm = 1 000 000 nm.
Que veut dire « l’ADN est universel » ?
Que tous les êtres vivants ont un ADN fait des quatre mêmes nucléotides, en double hélice, avec la même complémentarité ; seules la séquence et la longueur changent. C’est ce qui permet la transgenèse, et c’est un argument en faveur d’une origine commune du vivant.
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