Qui a été le premier à identifier et à isoler les acides nucléiques, précurseurs de l’identification de l’ADN ?
Friedrich Miescher
Les acides nucléiques ont été découverts par Friedrich Miescher en 1869. Les études expérimentales sur les acides nucléiques constituent une partie importante de la recherche biologique et médicale moderne et constituent une base pour la science du génome et la médecine légale, ainsi que pour les industries biotechnologiques et pharmaceutiques.
Les acides nucléiques sont des biopolymères, ou grosses biomolécules, essentiels à toutes les formes de vie connues. Les acides nucléiques, qui comprennent l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique), sont fabriqués à partir de monomères appelés nucléotides. Chaque nucléotide comporte trois composants : un sucre à 5 carbones, un groupe phosphate et une base azotée. Si le sucre est le désoxyribose, le polymère est l'ADN. Si le sucre est du ribose, le polymère est de l'ARN. Lorsque les trois composants sont combinés, ils forment un acide nucléique. Les nucléotides sont également appelés nucléotides phosphates.

Les acides nucléiques font partie des macromolécules biologiques les plus importantes (les autres étant les acides aminés/protéines, les sucres/glucides et les lipides/graisses). On les trouve en abondance dans tous les êtres vivants, où ils codifient, transmettent et expriment des informations génétiques. En d’autres termes, les informations sont transmises via la séquence d’acide nucléique ou l’ordre des nucléotides au sein d’une molécule d’ADN ou d’ARN. Les chaînes de nucléotides enchaînées dans une séquence spécifique constituent le mécanisme de stockage et de transmission des informations héréditaires ou génétiques via la synthèse protéique.

Les acides nucléiques ont été découverts par Friedrich Miescher en 1869. Les études expérimentales sur les acides nucléiques constituent une partie importante de la recherche biologique et médicale moderne et constituent une base pour la science du génome et la médecine légale, ainsi que pour les industries biotechnologiques et pharmaceutiques.

Occurrence et nomenclature

Le terme acide nucléique est le nom général de l’ADN et de l’ARN, membres d’une famille de biopolymères, et est synonyme de polynucléotide. Les acides nucléiques doivent leur nom à leur découverte initiale dans le noyau et à la présence de groupes phosphate (liés à l'acide phosphorique). Bien que découverts pour la première fois dans le noyau des cellules eucaryotes, on sait maintenant que les acides nucléiques se trouvent dans toutes les formes de vie, y compris dans les bactéries, les archées, les mitochondries, les chloroplastes, les virus et les viroïdes. (Remarque : il y a un débat quant à savoir si les virus sont vivants ou non). Toutes les cellules vivantes contiennent à la fois de l’ADN et de l’ARN (à l’exception de certaines cellules comme les globules rouges matures), tandis que les virus contiennent soit de l’ADN, soit de l’ARN, mais généralement pas les deux.
Le composant de base des acides nucléiques biologiques est le nucléotide, dont chacun contient un sucre pentose (ribose ou désoxyribose), un groupe phosphate et une nucléobase.
Les acides nucléiques sont également générés au sein du laboratoire, grâce à l'utilisation d'enzymes (ADN et ARN polymérases) et par synthèse chimique en phase solide. Les méthodes chimiques permettent également de générer des acides nucléiques altérés que l'on ne trouve pas dans la nature, par exemple des acides nucléiques peptidiques.

Composition moléculaire et taille

Les acides nucléiques sont généralement de très grosses molécules. En effet, les molécules d’ADN sont probablement les plus grosses molécules individuelles connues. La taille des molécules d'acide nucléique biologique bien étudiées varie de 21 nucléotides (petits ARN interférents) à de gros chromosomes (le chromosome 1 humain est une molécule unique contenant 247 millions de paires de bases).

Dans la plupart des cas, les molécules d’ADN naturelles sont double brin et les molécules d’ARN sont simple brin. Il existe cependant de nombreuses exceptions : certains virus ont des génomes constitués d'ARN double brin et d'autres virus ont des génomes d'ADN simple brin et, dans certaines circonstances, des structures d'acide nucléique à trois ou quatre brins peuvent se former.

Les acides nucléiques sont des polymères linéaires (chaînes) de nucléotides. Chaque nucléotide se compose de trois composants : une nucléobase purine ou pyrimidine (parfois appelée base azotée ou simplement base), un sucre pentose et un groupe phosphate. La sous-structure constituée d’une nucléobase et d’un sucre est appelée nucléoside. Les types d'acides nucléiques diffèrent par la structure du sucre dans leurs nucléotides : l'ADN contient du 2'-désoxyribose tandis que l'ARN contient du ribose (la seule différence étant la présence d'un groupe hydroxyle). En outre, les bases nucléiques trouvées dans les deux types d’acides nucléiques sont différentes : l’adénine, la cytosine et la guanine se trouvent à la fois dans l’ARN et l’ADN, tandis que la thymine est présente dans l’ADN et l’uracile est présente dans l’ARN.

Les sucres et les phosphates des acides nucléiques sont reliés les uns aux autres dans une chaîne alternée (squelette sucre-phosphate) via des liaisons phosphodiester. Dans la nomenclature conventionnelle, les carbones auxquels les groupes phosphate se fixent sont les carbones des extrémités 3' et 5' du sucre. Cela donne la directionnalité des acides nucléiques, et les extrémités des molécules d'acide nucléique sont appelées extrémités 5' et 3'. Les bases nucléiques sont reliées aux sucres via une liaison N-glycosidique impliquant un cycle nucléobase azoté (N-1 pour les pyrimidines et N-9 pour les purines) et le carbone 1' du cycle sucre pentose.

Des nucléosides non standard se trouvent également dans l'ARN et l'ADN et résultent généralement de la modification des nucléosides standard au sein de la molécule d'ADN ou du transcrit d'ARN primaire (initial). Les molécules d’ARN de transfert (ARNt) contiennent un nombre particulièrement important de nucléosides modifiés.

Topologie

Les acides nucléiques double brin sont constitués de séquences complémentaires, dans lesquelles un vaste appariement de bases Watson-Crick donne lieu à une structure tridimensionnelle à double hélice très répétée et assez uniforme. En revanche, les molécules d'ARN et d'ADN simple brin ne sont pas contraintes à une double hélice régulière et peuvent adopter des structures tridimensionnelles très complexes basées sur de courtes séquences de paires de bases intramoléculaires qui incluent à la fois Watson-Crick et des paires de bases non canoniques. , ainsi qu'un large éventail d'interactions tertiaires complexes.

Les molécules d'acide nucléique sont généralement non ramifiées et peuvent se présenter sous forme de molécules linéaires et circulaires. Par exemple, les chromosomes bactériens, les plasmides, l'ADN mitochondrial et l'ADN chloroplastique sont généralement des molécules d'ADN double brin circulaires, tandis que les chromosomes du noyau eucaryote sont généralement des molécules d'ADN double brin linéaires. La plupart des molécules d'ARN sont des molécules linéaires simple brin, mais des molécules circulaires et ramifiées peuvent résulter de réactions d'épissage d'ARN.

Séquences d'acides nucléiques

Une molécule d’ADN ou d’ARN diffère d’une autre principalement par la séquence de nucléotides. Les séquences nucléotidiques sont d'une grande importance en biologie car elles contiennent les instructions ultimes qui codent pour toutes les molécules biologiques, les assemblages moléculaires, les structures subcellulaires et cellulaires, les organes et les organismes, et permettent directement la cognition, la mémoire et le comportement (voir : Génétique). D'énormes efforts ont été déployés pour développer des méthodes expérimentales permettant de déterminer la séquence nucléotidique des molécules biologiques d'ADN et d'ARN. Aujourd'hui, des centaines de millions de nucléotides sont séquencés quotidiennement dans les centres de génomique et les petits laboratoires du monde entier. En plus de maintenir la base de données de séquences d'acides nucléiques GenBank, le National Center for Biotechnology Information (NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov) fournit des ressources d'analyse et de récupération des données de GenBank et d'autres données biologiques mises à disposition. via le site Web du NCBI

Types d'acides nucléiques

Acide désoxyribonucléique

L'acide désoxyribonucléique (ADN) est un acide nucléique contenant les instructions génétiques utilisées dans le développement et le fonctionnement de tous les organismes vivants connus. Les segments d'ADN porteurs de cette information génétique sont appelés gènes. De même, d’autres séquences d’ADN ont des objectifs structurels ou participent à la régulation de l’utilisation de cette information génétique. Avec l’ARN et les protéines, l’ADN est l’une des trois macromolécules majeures essentielles à toutes les formes de vie connues.
L'ADN est constitué de deux longs polymères d'unités simples appelés nucléotides, avec un squelette constitué de sucres et de groupes phosphate reliés par des liaisons ester. Ces deux brins vont dans des directions opposées l’un à l’autre et sont donc antiparallèles. À chaque sucre est attaché l’un des quatre types de molécules appelées nucléobases (officieusement, bases). C'est la séquence de ces quatre bases nucléiques le long du squelette qui code l'information. Ces informations sont lues à l'aide du code génétique, qui spécifie la séquence des acides aminés au sein des protéines. Le code est lu en copiant des segments d'ADN dans l'ARN de l'acide nucléique associé dans le cadre d'un processus appelé transcription.
Au sein des cellules, l’ADN est organisé en longues structures appelées chromosomes. Au cours de la division cellulaire, ces chromosomes sont dupliqués au cours du processus de réplication de l'ADN, fournissant ainsi à chaque cellule son propre ensemble complet de chromosomes. Les organismes eucaryotes (animaux, plantes, champignons et protistes) stockent la majeure partie de leur ADN dans le noyau cellulaire et une partie de leur ADN dans des organites, comme les mitochondries ou les chloroplastes. En revanche, les procaryotes (bactéries et archées) stockent leur ADN uniquement dans le cytoplasme. Au sein des chromosomes, les protéines chromatiniennes telles que les histones compactent et organisent l'ADN. Ces structures compactes guident les interactions entre l’ADN et d’autres protéines, aidant ainsi à contrôler quelles parties de l’ADN sont transcrites.

Acide ribonucléique

L'acide ribonucléique (ARN) fonctionne en convertissant l'information génétique des gènes en séquences d'acides aminés des protéines. Les trois types universels d’ARN comprennent l’ARN de transfert (ARNt), l’ARN messager (ARNm) et l’ARN ribosomal (ARNr). L'ARN messager agit pour transporter les informations sur la séquence génétique entre l'ADN et les ribosomes, dirigeant ainsi la synthèse des protéines. L'ARN ribosomal est un composant majeur du ribosome et catalyse la formation de liaisons peptidiques. L'ARN de transfert sert de molécule porteuse pour les acides aminés à utiliser dans la synthèse des protéines et est responsable du décodage de l'ARNm. De plus, de nombreuses autres classes d’ARN sont désormais connues.

Analogues d'acides nucléiques artificiels

Des analogues artificiels d'acide nucléique ont été conçus et synthétisés par des chimistes et comprennent l'acide nucléique peptidique, l'acide nucléique morpholino et verrouillé, ainsi que l'acide nucléique glycol et l'acide nucléique thréose. Chacun d’eux se distingue de l’ADN ou de l’ARN naturel par des modifications apportées au squelette de la molécule.