L’ADN est une hélice double brin qui stocke l’information génétique. Sa structure et sa topologie sont fondamentales pour son rôle dans la réplication, la transcription et la réparation, et la molécule peut adopter différentes conformations selon la séquence et les conditions environnementales.

Éléments constitutifs des nucléotides

L’ADN est un polymère de désoxyribonucléotides, chacun composé de trois éléments. Une base azotée, soit une purine (adénine ou guanine) soit une pyrimidine (cytosine ou thymine), est attachée au carbone 1-prime du désoxyribose. Un groupe phosphate est estérifié au carbone 5-prime. Les nucléotides sont liés par des liaisons phosphodiester entre le phosphate 5-prime d’un nucléotide et l’hydroxyle 3-prime du suivant, créant un squelette sucre-phosphate avec une directionnalité.

La double hélice

La structure B-ADN classique, décrite par Watson et Crick en 1953, est une double hélice droite avec plusieurs caractéristiques clés. Deux brins polynucléotidiques sont antiparallèles, l’un orienté 5-prime vers 3-prime et l’autre 3-prime vers 5-prime. Les squelettes sucre-phosphate sont à l’extérieur, tandis que les bases s’apparient à l’intérieur par des liaisons hydrogène. L’adénine s’apparie avec la thymine par deux liaisons hydrogène, et la guanine s’apparie avec la cytosine par trois liaisons hydrogène, rendant les séquences riches en GC plus stables. L’hélice a un diamètre d’environ 2 nm, une élévation de 0,34 nm par paire de bases et effectue un tour complet tous les 10,5 paires de bases.

Conformations alternatives de l’ADN

Le B-ADN est la forme la plus courante dans des conditions physiologiques, mais l’ADN peut adopter d’autres conformations. L’A-ADN est une hélice droite plus courte et plus large qui se forme dans des conditions déshydratantes et est pertinent pour les hybrides ADN-ARN. Le Z-ADN est une hélice gauche avec un squelette en zigzag qui se forme au niveau de séquences alternées purine-pyrimidine, en particulier les répétitions CG. La formation de Z-ADN est favorisée par le surenroulement négatif et peut avoir des rôles régulateurs dans la transcription.

Surenroulement de l’ADN

L’ADN dans les cellules doit être compacté pour tenir dans le noyau ou la cellule. Les molécules d’ADN circulaires, telles que les chromosomes bactériens et les plasmides, deviennent surenroulées lorsqu’elles sont entortillées ou détortillées. Le surenroulement négatif, où l’ADN est détortillé, est l’état naturel de la plupart des ADN cellulaires et facilite la séparation des brins nécessaire à la réplication et à la transcription. Le surenroulement positif se produit en avant des fourches de réplication et doit être relâché.

Les topoisomérases sont des enzymes qui gèrent la topologie de l’ADN. La topoisomérase I crée une coupure simple brin transitoire pour soulager le stress torsionnel, changeant le nombre de liaison d’une unité. La topoisomérase II crée une coupure double brin et fait passer un autre segment d’ADN à travers, changeant le nombre de liaison de deux. Ces enzymes sont des cibles pour les médicaments anticancéreux tels que l’étoposide et la camptothécine.

Structure de la chromatine

L’ADN eucaryote est empaqueté en chromatine par association avec les protéines histones. L’unité de base est le nucléosome, consistant en 147 paires de bases d’ADN enroulées autour d’un octamère d’histones centrales deux de chaque H2A, H2B, H3 et H4. L’histone de liaison H1 se lie entre les nucléosomes, favorisant le repliement d’ordre supérieur. Cet empaquetage compacte l’ADN d’environ 10 000 fois et régule l’accès à l’information génétique.

Dénaturation et renaturation de l’ADN

Les deux brins d’ADN peuvent être séparés par chauffage ou par des conditions alcalines qui perturbent les liaisons hydrogène. L’électrophorèse sur gel d’agarose utilise ces propriétés pour séparer les fragments d’ADN par taille. La température de fusion dépend de la teneur en GC, l’ADN riche en GC nécessitant des températures plus élevées pour la dénaturation. La renaturation de l’ADN, également appelée hybridation, se produit lorsque le refroidissement permet aux brins complémentaires de reformer la double hélice. Ce processus est la base des techniques d’hybridation, y compris le Southern blot et les puces à ADN.

Le code génétique

L’information génétique est codée dans la séquence linéaire de bases de l’ADN. Trois nucléotides consécutifs forment un codon, spécifiant un des vingt acides aminés. Le code génétique est dégénéré, ce qui signifie que la plupart des acides aminés sont spécifiés par plusieurs codons, les deux premières positions étant généralement les plus importantes. Le code est presque universel chez tous les organismes connus, soutenant fortement une origine évolutive commune.