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ADN sa structure et son but. Structure d'une molécule d'adn




Dans cet article, vous pouvez apprendre le rôle biologique de l'ADN. Donc, cette abréviation est familière à tout le monde sur le banc de l'école, mais tout le monde n'a pas une idée de ce que c'est. Après le cours de biologie scolaire, une connaissance minimale de la génétique et de l'hérédité reste en mémoire, car les enfants ne reçoivent ce sujet complexe que superficiellement. Mais cette connaissance (le rôle biologique de l'ADN, l'effet qu'il a sur le corps) peut être incroyablement utile.

Commençons par le fait que les acides nucléiques remplissent une fonction importante, à savoir assurer la continuité de la vie. Ces macromolécules se présentent sous deux formes :

  • ADN (ADN);
  • ARN (ARN).

Ce sont des transmetteurs du plan génétique pour la structure et le fonctionnement des cellules du corps. Parlons d'eux plus en détail.

ADN et ARN

Commençons par quelle branche de la science traite de questions aussi complexes que :

  • étudier les principes de stockage;
  • sa mise en œuvre ;
  • diffuser;
  • étude de la structure des biopolymères ;
  • leurs fonctions.

Tout cela est étudié par la biologie moléculaire. C'est dans cette branche des sciences biologiques que l'on peut trouver la réponse à la question de savoir quel est le rôle biologique de l'ADN et de l'ARN.

Ces composés macromoléculaires formés à partir de nucléotides sont appelés "acides nucléiques". C'est ici que sont stockées les informations sur le corps, qui déterminent le développement de l'individu, sa croissance et son hérédité.

La découverte des désoxyribonucléiques et tombe sur 1868. Ensuite, les scientifiques ont réussi à les détecter dans les noyaux des leucocytes et des spermatozoïdes des wapitis. Une étude ultérieure a montré que l'ADN peut être trouvé dans toutes les cellules de nature végétale et animale. Le modèle d'ADN a été présenté en 1953 et le prix Nobel de la découverte a été décerné en 1962.

ADN

Commençons cette section par le fait qu'il existe 3 types de macromolécules :

  • Acide désoxyribonucléique;
  • acide ribonucléique;
  • protéines.

Nous allons maintenant examiner plus en détail la structure, le rôle biologique de l'ADN. Ainsi, ce biopolymère transmet des données sur l'hérédité, les caractéristiques de développement non seulement du porteur, mais également de toutes les générations précédentes. - nucléotide. Ainsi, l'ADN est le composant principal des chromosomes contenant le code génétique.

Comment ces informations sont-elles transmises ? Tout l'enjeu réside dans la capacité de ces macromolécules à se reproduire. Leur nombre est infini, ce qui s'explique par leur grande taille, et par conséquent, par un grand nombre de séquences nucléotidiques diverses.

Structure de l'ADN

Afin de comprendre le rôle biologique de l'ADN dans une cellule, il est nécessaire de se familiariser avec la structure de cette molécule.

Commençons par le plus simple, tous les nucléotides dans leur structure ont trois composants :

  • Base azotée;
  • sucre pentose;
  • Groupe phosphate.

Chaque nucléotide individuel dans la molécule d'ADN contient une base azotée. Cela peut être absolument l'un des quatre possibles :

  • A (adénine);
  • G (guanine);
  • C (cytosine);
  • T (thymine).

A et G sont des purines, et C, T et U (uracile) sont des pyramidines.

Il existe plusieurs règles pour le rapport des bases azotées, appelées règles de Chargaff.

  1. A = T.
  2. G = C
  3. (A + G = T + C) nous pouvons transférer toutes les inconnues sur le côté gauche et obtenir : (A + G) / (T + C) = 1 (cette formule est la plus pratique pour résoudre des problèmes de biologie).
  4. A + C = G + T.
  5. La valeur (A + C) / (G + T) est constante. Chez l'homme, il est de 0,66, mais, par exemple, chez les bactéries, il est de 0,45 à 2,57.

La structure de chaque molécule d'ADN ressemble à une double hélice torsadée. Notez que les chaînes polynucléotidiques sont antiparallèles. C'est-à-dire que l'arrangement des paires de nucléotides dans une chaîne a la séquence opposée à celle de l'autre. Chaque tour de cette hélice contient jusqu'à 10 paires de nucléotides.

Comment ces chaînes sont-elles connectées les unes aux autres ? Pourquoi une molécule est-elle forte et ne se décompose-t-elle pas ? Il s'agit de la liaison hydrogène entre les bases azotées (entre A et T - deux, entre G et C - trois) et de l'interaction hydrophobe.

À la fin de la section, je voudrais mentionner que l'ADN est la plus grande des molécules organiques, dont la longueur varie de 0,25 à 200 nm.

complémentarité

Examinons de plus près les relations par paires. Nous avons déjà dit que les paires de bases azotées se forment non pas de manière chaotique, mais dans une séquence stricte. Ainsi, l'adénine ne peut se lier qu'à la thymine et la guanine ne peut se lier qu'à la cytosine. Cet arrangement séquentiel de paires dans un brin d'une molécule dicte leur arrangement dans l'autre.

Lors de la réplication ou du dédoublement pour former une nouvelle molécule d'ADN, cette règle, appelée "complémentarité", est nécessairement respectée. Vous pouvez remarquer le schéma suivant, qui a été mentionné dans le résumé des règles de Chargaff - le nombre des nucléotides suivants est le même : A et T, G et C.

réplication

Parlons maintenant du rôle biologique de la réplication de l'ADN. Commençons par le fait que cette molécule possède cette capacité unique à se reproduire. Ce terme fait référence à la synthèse d'une molécule fille.

En 1957, trois modèles de ce procédé ont été proposés :

  • conservateur (la molécule d'origine est conservée et une nouvelle est formée);
  • semi-conservateur (rupture de la molécule d'origine en monochaînes et ajout de bases complémentaires à chacune d'elles) ;
  • dispersée (désintégration de la molécule, réplication de fragments et collecte aléatoire).

Le processus de réplication comporte trois étapes :

  • initiation (déroulement de sections d'ADN à l'aide de l'enzyme hélicase) ;
  • élongation (allongement de chaîne par ajout de nucléotides) ;
  • terminaison (atteignant la longueur requise).

Ce processus complexe a une fonction particulière, c'est-à-dire un rôle biologique - assurer la transmission précise de l'information génétique.

ARN

Nous avons dit quel est le rôle biologique de l'ADN, nous proposons maintenant de passer à la considération (c'est-à-dire l'ARN).

Commençons cette section par le fait que cette molécule n'est pas moins importante que l'ADN. Nous pouvons le détecter dans absolument n'importe quel organisme, cellules procaryotes et eucaryotes. Cette molécule est observée même dans certains virus (on parle de virus contenant de l'ARN).

Une caractéristique distinctive de l'ARN est la présence d'une seule chaîne de molécules, mais, comme l'ADN, il se compose de quatre bases azotées. Dans ce cas c'est :

  • adénine (A);
  • uracile (U);
  • cytosine (C);
  • guanine (G).

Tous les ARN sont divisés en trois groupes :

  • la matrice, communément appelée informationnelle (la réduction est possible sous deux formes : ARNm ou ARNm) ;
  • ribosomique (ARNr).

Les fonctions

Après avoir traité du rôle biologique de l'ADN, de sa structure et des caractéristiques de l'ARN, nous proposons de passer aux missions particulières (fonctions) des acides ribonucléiques.

Commençons par l'ARNm ou l'ARNm, dont la tâche principale est de transférer les informations de la molécule d'ADN au cytoplasme du noyau. En outre, l'ARNm est une matrice pour la synthèse des protéines. Quant au pourcentage de ce type de molécules, il est assez faible (environ 4%).

Et le pourcentage d'ARNr dans la cellule est de 80. Ils sont nécessaires, car ils sont à la base des ribosomes. L'ARN ribosomique est impliqué dans la synthèse des protéines et l'assemblage de la chaîne polypeptidique.

Un adaptateur qui construit des acides aminés dans une chaîne - ARNt, qui transporte les acides aminés vers la région de synthèse des protéines. Le pourcentage dans la cellule est d'environ 15 %.

Rôle biologique

Pour résumer : quel est le rôle biologique de l'ADN ? Au moment de la découverte de cette molécule, aucune information évidente ne pouvait être donnée à ce sujet, mais encore aujourd'hui, tout n'est pas connu sur la signification de l'ADN et de l'ARN.

Si nous parlons de la signification biologique générale, leur rôle est de transférer les informations héréditaires de génération en génération, la synthèse des protéines et le codage des structures protéiques.

Beaucoup expriment également cette version : ces molécules sont associées non seulement à la vie biologique, mais aussi à la vie spirituelle des êtres vivants. Si vous croyez l'opinion des métaphysiciens, alors l'ADN contient l'expérience des vies passées et l'énergie divine.

Le plan de naissance d'une personne est prêt lorsque les cellules sexuelles de la mère et du père fusionnent en une seule. Cette formation s'appelle un zygote ou un œuf fécondé. Le plan même du développement de l'organisme est contenu dans la molécule d'ADN située dans le noyau de cette cellule unique. C'est en elle que la couleur des cheveux, la taille, la forme du nez et tout ce qui rend une personne individuelle sont encodés.

Bien sûr, le sort d'une personne dépend non seulement de la molécule, mais également de nombreux autres facteurs. Mais les gènes déposés à la naissance influencent aussi largement le chemin fatidique. Et ils sont une séquence de nucléotides.

A chaque division cellulaire, l'ADN double. Par conséquent, chaque cellule contient des informations sur la structure de l'organisme entier. C'est comme si, lors de la construction d'un bâtiment en briques, chaque brique avait un plan architectural pour l'ensemble de la structure. J'ai regardé une seule brique et vous savez déjà de quelle structure elle fait partie.

La véritable structure de la molécule d'ADN a été démontrée pour la première fois par le biologiste britannique John Gurdon en 1962. Il a prélevé un noyau cellulaire dans les intestins d'une grenouille et, à l'aide de techniques microchirurgicales, l'a transplanté dans un œuf de grenouille. Dans le même temps, dans cet œuf, son propre noyau a été précédemment tué par irradiation ultraviolette.

Une grenouille normale est née d'un œuf hybride. En même temps, il était absolument identique à celui dont le noyau cellulaire a été prélevé. Ainsi commença l'ère du clonage. Et le premier résultat réussi du clonage chez les mammifères a été Dolly la brebis. Elle vécut 6 ans puis mourut.

Cependant, la nature elle-même crée aussi des jumeaux. Cela se produit lorsque, après la première division du zygote, deux nouvelles cellules ne restent pas ensemble, mais divergent sur les côtés, et chacune produit son propre organisme. C'est ainsi que naissent les vrais jumeaux. Leurs molécules d'ADN sont exactement les mêmes, c'est pourquoi les jumeaux sont si similaires.

Dans son apparence, l'ADN ressemble à une échelle de corde, tordue en une spirale à droite. Et il est constitué de chaînes polymères, dont chacune est formée de liens de 4 types : adénine (A), guanine (G), thymine (T) et cytosine (C).

C'est dans leur séquence que se conclut le programme génétique de tout organisme vivant. Dans la figure ci-dessous, par exemple, le nucléotide T. Son cycle supérieur est appelé la base azotée, le cycle à cinq chaînons en bas est un sucre et le groupe phosphate est à gauche.

La figure montre le nucléotide thymine, qui fait partie de l'ADN. Les 3 nucléotides restants ont une structure similaire, mais diffèrent par la base azotée. L'anneau en haut à droite est la base azotée. Le cycle inférieur à cinq chaînons est le sucre. Groupe gauche PO - phosphate

Dimensions de la molécule d'ADN

Le diamètre de la double hélice est de 2 nm (nm - nanomètre, égal à 10 -9 mètres). La distance entre les paires de bases adjacentes le long de l'hélice est de 0,34 nm. La double hélice fait un tour complet en 10 paires. Mais la longueur dépend de l'organisme auquel appartient la molécule. Les virus les plus simples n'ont que quelques milliers de liens. Les bactéries en comptent plusieurs millions. Et les organismes supérieurs en ont des milliards.

Si vous étirez tout l'ADN contenu dans une cellule humaine en une seule ligne, vous obtenez un fil d'environ 2 m de long, ce qui montre que la longueur du fil est des milliards de fois supérieure à son épaisseur. Pour mieux imaginer les dimensions d'une molécule d'ADN, on peut imaginer que son épaisseur est de 4 cm.Un tel fil, tiré d'une cellule humaine, peut encercler le globe le long de l'équateur. À cette échelle, une personne correspondra à la taille de la Terre et le noyau cellulaire atteindra la taille d'un stade.

Le modèle de Watson et Crick est-il correct ?

Compte tenu de la structure de la molécule d'ADN, la question se pose de savoir comment, ayant une si grande longueur, elle se situe dans le noyau. Il doit être allongé de manière à être accessible sur toute sa longueur pour l'ARN polymérase qui lit les gènes recherchés.

Comment se fait la réplication ? Après tout, après avoir doublé, les deux chaînes complémentaires doivent se disperser. C'est assez difficile, car les chaînes sont initialement tordues en spirale.

Ces questions ont d'abord soulevé des doutes sur l'exactitude du modèle de Watson et Crick. Et ce modèle était trop spécifique et a simplement taquiné les experts avec son inviolabilité. Par conséquent, tout le monde s'est précipité pour rechercher les défauts et les contradictions.

Certains experts ont supposé que si la molécule malheureuse est constituée de 2 chaînes polymères liées par des liaisons non covalentes faibles, elles devraient alors diverger lorsque la solution est chauffée, ce qui peut être facilement vérifié expérimentalement.

Les deuxièmes spécialistes se sont intéressés aux bases azotées, qui forment entre elles des liaisons hydrogène. Ceci peut être vérifié en mesurant les spectres infrarouges de la molécule.

D'autres encore pensaient que si des bases azotées étaient effectivement cachées à l'intérieur de la double hélice, alors il serait possible de savoir si les substances capables de réagir uniquement avec ces groupes cachés agissent sur la molécule.

De nombreuses expériences ont été menées et à la fin des années 1950, il est devenu clair que le modèle proposé par Watson et Crick résisterait à toutes les épreuves. Les tentatives pour le réfuter ont échoué..

ADN(acide désoxyribonucléique) est un polymère biologique constitué de deux chaînes polynucléotidiques reliées l'une à l'autre. Les monomères qui composent chacune des chaînes d'ADN sont des composés organiques complexes qui comprennent l'une des quatre bases azotées : l'adénine (A) ou la thymine (T), la cytosine (C) ou la guanine (G), le sucre à cinq atomes pentose - désoxyribose , nommé d'après lequel l'ADN lui-même a été nommé, ainsi qu'un résidu d'acide phosphorique. Ces composés sont appelés nucléotides.

Ces chaînes sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène entre leurs bases azotées selon le principe de complémentarité. L'adénine d'une chaîne est reliée par deux liaisons hydrogène avec la thymine d'une autre chaîne, et trois liaisons hydrogène sont formées entre la guanine et la cytosine de chaînes différentes. Une telle connexion de bases azotées fournit une connexion solide entre les deux chaînes et maintient une distance égale entre elles tout au long.

Une autre caractéristique importante de l'association de deux chaînes polynucléotidiques dans une molécule d'ADN est leur antiparallélisme : l'extrémité 5' d'une chaîne est reliée à l'extrémité 3' de l'autre, et vice versa.

Molécule d'ADN, comp. Des deux chaînes, il forme une spirale torsadée autour de son propre axe. Le diamètre de l'hélice est de 2 nm, la longueur du pas est de 3,4 nm. Chaque tour contient 10 paires de nucléotides.

* Le plus souvent, les doubles hélices sont à droite. La plupart des molécules d'ADN en solution sont dans la forme droite - B (B-DNA). Cependant, il existe également des formes gauchers (Z-DNA). La quantité de cet ADN est présente dans les cellules et sa signification biologique n'a pas encore été établie.

* Ainsi, dans l'organisation structurale de la molécule d'ADN, on peut distinguer structure primaire - une chaîne polynucléotidique structure secondaire- deux chaînes polynucléotidiques complémentaires et antiparallèles reliées par des liaisons hydrogène, et structure tertiaire - une spirale tridimensionnelle avec les caractéristiques spatiales ci-dessus.

9. Types d'ARN dans la cellule. Fonctions de divers ARN

Le rôle d'un intermédiaire, dont la fonction est de traduire l'information héréditaire stockée dans l'ADN en une forme fonctionnelle, est joué par acides ribonucléiques - ARN.

Des molécules d'ARN à deux et à un brin sont connues. Les ARN double brin servent à stocker et à reproduire des informations héréditaires dans certains virus, c'est-à-dire ils remplissent les fonctions des chromosomes. Les ARN simple brin effectuent le transfert d'informations sur la séquence d'acides aminés dans les protéines du chromosome vers le lieu de leur synthèse et participent aux processus de synthèse.

Contrairement aux molécules d'ADN, les acides ribonucléiques sont représentés par une chaîne polynucléotidique composée de quatre types de nucléotides contenant du sucre, du ribose, du phosphate et l'une des quatre bases azotées - adénine, guanine, uracile ou cytosine. L'ARN est synthétisé sur des molécules d'ADN à l'aide d'enzymes ARN polymérase conformément au principe de complémentarité et d'antiparallélisme, et l'uracile est complémentaire de l'ADN adénine dans l'ARN. Toute la variété des ARN agissant dans la cellule peut être divisée en trois types principaux : ARNm, ARNt, ARNr.

Matrice, ou information, ARN (ARNm ou ARNm). Transcription. Afin de synthétiser des protéines aux propriétés souhaitées, une "instruction" est envoyée au site de leur construction sur l'ordre dans lequel les acides aminés sont inclus dans la chaîne peptidique. Cette instruction est contenue dans la séquence nucléotidique matrice, ou alors informations ARN(ARNm, ARNm) synthétisés sur les régions d'ADN correspondantes. Le processus de synthèse de l'ARNm est appelé transcription.

La synthèse de l'ARNm commence par la découverte par l'ARN polymérase d'un site spécial dans la molécule d'ADN, qui indique l'endroit où commence la transcription - promoteur. Après s'être attachée au promoteur, l'ARN polymérase déroule le tour adjacent de l'hélice d'ADN. Deux brins d'ADN divergent à ce point, et sur l'un d'eux l'enzyme synthétise l'ARNm. L'assemblage des ribonucléotides dans une chaîne se produit conformément à leur complémentarité avec les nucléotides d'ADN, et également antiparallèlement à la chaîne d'ADN matrice. Du fait que l'ARN polymérase est capable d'assembler un polynucléotide uniquement de l'extrémité 5' vers l'extrémité 3', un seul des deux brins d'ADN peut servir de matrice pour la transcription, à savoir celui qui fait face à l'enzyme avec son 3 ' fin ( 3" → 5"). Une telle chaîne est appelée codogène

ARNt- L'ARN, dont la fonction est de transporter les acides aminés vers le site de synthèse des protéines. Les ARNt sont également directement impliqués dans la croissance de la chaîne polypeptidique, se joignant - étant dans un complexe avec un acide aminé - au codon de l'ARNm et assurant la conformation du complexe nécessaire à la formation d'une nouvelle liaison peptidique.

Chaque acide aminé a son propre ARNt.L'ARNt est un ARN simple brin, mais dans sa forme fonctionnelle, il a une conformation en "feuille de trèfle" ou en "feuille de trèfle". L'acide aminé est attaché de manière covalente à l'extrémité 3" de la molécule à l'aide de l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase, spécifique de chaque type d'ARNt. Au site C, il existe un anticodon correspondant à l'acide aminé.

(ARNr)- plusieurs molécules d'ARN qui forment la base du ribosome. La fonction principale de l'ARNr est la mise en œuvre du processus de traduction - lire les informations de l'ARNm à l'aide de molécules d'ARNt adaptatrices et catalyser la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés attachés à l'ARNt.

Les ARN ribosomiques ne sont pas seulement un composant structurel des ribosomes, mais assurent également leur liaison à une séquence nucléotidique d'ARNm spécifique. Cela définit le cadre de départ et de lecture pour la formation de la chaîne peptidique. De plus, ils assurent une interaction entre le ribosome et l'ARNt. De nombreuses protéines qui composent les ribosomes, ainsi que l'ARNr, jouent à la fois des rôles structurels et enzymatiques.

La vie de l'ADN (acides désoxyribonucléiques)

Définition du "ADN"

Gène - un ensemble de segments d'ADN qui provoquent la formation d'une molécule d'ARN ou d'un produit protéique (Chanteur M., Berg P., 1998).

Une personne possède environ 30 000 gènes. Dans tout le volume d'ADN, les gènes de structure (c'est-à-dire ceux qui codent pour les protéines qui vont construire les structures du corps) n'occupent que 3 à 10 %.

La plus petite unité fonctionnelle de l'ADN est constituée des éléments suivants : gène de structure, zones régulatrices, gènes régulateurs.

La structure de la molécule d'ADN

Les molécules d'ADN ont la forme de longues chaînes doubles de polymères - polynucléotides, constituées de monomères - nucléotides. La double chaîne est torsadée en spirale. L'ADN est donc comme un escalier en colimaçon (regardez l'image ci-dessus). Chaque nucléotide comprend l'une des quatre bases azotées - adénine (A), guanine (G), cytosine (C) ou thymine (T), une molécule de pentose (sucre à cinq carbones) et un résidu d'acide phosphorique. Typiquement, une molécule d'ADN se compose de deux brins complémentaires qui forment une double hélice. Dans ce cas, l'adénine d'un brin est associée à la thymine de l'autre (elle est stabilisée par deux liaisons hydrogène), et la guanine est associée de la même manière à la cytosine (trois liaisons hydrogène). La séquence des bases azotées dans la molécule d'ADN porte les informations nécessaires à la synthèse des protéines. L'ADN est une très longue molécule composée de nombreux nucléotides. Par exemple, le génome humain se compose de 46 chromosomes, qui sont basés sur des molécules d'ADN, qui ensemble sont assemblés à partir d'environ 3 milliards de paires de nucléotides.

Chez les eucaryotes, le matériel génétique est situé dans le noyau de la cellule dans les chromosomes. Les chromosomes à l'état actif existent sous forme de chromatine. La chromatine contient environ 40 % d'ADN, 40 % d'histones (protéines alcalines), environ 20 % de protéines chromosomiques non histones et un peu d'ARN.

Vidéo:La structure du chromosome

Nous pouvons attribuer l'ADN à des "systèmes vivants", à des "molécules vivantes" au motif qu'ils sont à la base de la vie en général, et qu'ils possèdent également un certain nombre des propriétés les plus importantes des êtres vivants, en particulier la capacité de se reproduire. L'ADN est si indépendant et autosuffisant qu'il peut exister même en dehors de la cellule - sous forme de virus. Au cours de leur vie, les molécules d'ADN traversent des étapes de vie qui nous rappellent la vie de systèmes biologiques plus complexes - des organismes vivants. Ce sont des étapes telles que la naissance, la maturation, le travail (activité) et la "mort".

Sujet : Structure de l'ADN

Devoirs

  1. Connaître et être capable d'écrire les formules développées des nucléotides : A, T, G, C, U.
  2. Connaître la structure des molécules d'ADN et leur organisation en chromosomes.
  3. Savoir comment lier les nucléotides dans l'ADN verticalement et horizontalement. Le concept des obligations 3 "-5".
  4. Être capable d'utiliser la table des codes génétiques pour construire des molécules peptidiques basées sur un segment d'ADN de 12 nucléotides ou plus.

Vidéo:Chromosomes, mitose, réplication

Étapes de la vie d'une molécule d'ADN

Naissance (réplication) - maturation (chromosomes) - travail (transcription) - contrôle (régulation) - modification (mutation) - "mort"

1. Réplication de l'ADN - la naissance d'un nouveau brin d'ADN fille sur le brin parent.
2. Maturation de l'ADN - la formation d'un chromosome.
3. Transcription de l'ADN - le travail de l'ADN sous la forme d'une synthèse de matrice d'ARN sur celui-ci.
4. Régulation de la transcription - contrôle de l'activité de l'ADN pour la transcription.
5. Réparation de l'ADN - restauration des zones endommagées.
6. Changements dans la structure de l'ADN - mutations, transposons.
7. Dégradation de l'ADN - destruction à chaque cycle de réplication.

1. Naissance - réplication

La réplication de l'ADN est très simple, au détriment du « un, deux, trois », c'est-à-dire en trois étapes : 1) initiation, 2) élongation, 3) terminaison.

1. Initiation - début

Cible pour démarrer la réplication

La réplication d'une énorme molécule d'ADN commence par l'apparition d'un point de réplication. Ce point a une séquence spécifique riche en paires A-T. De tels sites dans l'ADN sont précisément les cibles des protéines qui initient la réplication. C'est à eux que sont attachées des protéines de reconnaissance spéciales, qui assurent la fixation des enzymes de réplication. hélicases et topoisomérases(gyrase) et ainsi démarrer le processus de réplication. hélicase déroule l'ADN en deux brins. Une fourche de réplication est formée. La molécule d'ADN est rigidement fixée sur la matrice nucléaire et ne peut pas tourner librement lorsqu'une section n'est pas tordue. Cela bloque la progression de l'hélicase le long de la chaîne. La topoisomérase coupe les brins d'ADN et soulage le stress structurel.
Dans une fourche de réplication, il y a deux hélicases qui se déplacent dans des directions opposées. Les brins séparés sont fixés par des protéines de liaison à l'ADN. Les sites de formation de la fourche de réplication sont appelés "points ori" (origine - le début). Chez les eucaryotes, des milliers de telles fourches sont formées simultanément, ce qui assure un taux de réplication élevé.

2. Allongement - continuation (allongement)

La croissance des brins d'ADN filles sur les deux brins parents se produit différemment. L'ADN polymérase procaryote III et les δ- ou α-ADN polymérases eucaryotes ne peuvent synthétiser un nouveau brin d'ADN que dans la direction 5 '> 3', car ne peut ajouter un nouveau nucléotide au carbone qu'en position 3', mais pas en position 5'.

Un circuit avec cette direction est appelé premier . Sur celui-ci, la synthèse du brin d'ADN fille se poursuit en continu. L'ADN polymérase III ou δ polymérase lui ajoute en continu des nucléotides complémentaires.

Un circuit avec une polarité de 3'>5' est être à la traîne et complété par parties (également dans le sens 5’>3’). L'α-ADN polymérase (ou ADN polymérase III) synthétise de courtes sections sur cette chaîne - fragments d'Okazaki.

La synthèse des fragments d'Okazaki et du brin leader commence par la formation Amorces ARN (des graines ) 10-15 ribonucléotides de long par l'enzyme primase (ARN polymérase). Aucune des ADN polymérases n'est capable de démarrer la synthèse d'ADN à partir de zéro, mais ne peut que terminer le bâtiment chaîne existante. Parallèlement à la formation du brin principal ou des fragments d'Okazaki, les ribonucléotides sont retirés des amorces et remplacés par des nucléotides d'ADN. Le remplacement des sites ribonucléiques (amorces) par des sections d'ADN se produit à l'aide de la β-ADN polymérase, qui possède à la fois une activité exonucléase et polymérase.

Ainsi, la réplication est impossible sans transcription transitoire partielle.

Le taux de réplication de l'ADN (élongation) est d'environ 45 000 nucléotides par minute, de sorte que la fourche mère se déroule à 4 500 tr/min. Ceci est comparable, par exemple, à la vitesse de rotation d'un ventilateur de refroidissement dans un ordinateur (1300-4800 rpm).

3. Résiliation - achèvement (fin)

L'achèvement de la réplication se produit lorsque les espaces entre les fragments d'Okazaki sont remplis de nucléotides (avec la participation de l'ADN ligase) pour former deux doubles brins d'ADN continus et lorsque deux fourches de réplication se rencontrent. Ensuite, l'ADN synthétisé est tordu pour former des supercoils.

L'exactitude de la réplication est assurée par la correspondance exacte des paires de bases complémentaires et l'action des ADN polymérases qui, en plus de la polymérase, ont également une activité d'exonucléase et sont capables de reconnaître et de corriger les erreurs. Si un nucléotide non complémentaire est inclus, l'enzyme recule, le clive et poursuit la réaction de la polymérase. Par conséquent, le processus de réplication est très précis.

Une fois la réplication terminée, la méthylation de l'ADN se produit dans les régions -GATC- au niveau de l'adénine (avec formation de N-méthyladénine) et des résidus cytosine avec formation de 5-méthylcytosine. La méthylation ne viole pas la complémentarité des chaînes et est nécessaire à la formation de la structure des chromosomes et à la régulation de la transcription des gènes.

Chez les procaryotes, comme les bactéries, l'ADN est capable de se répliquer sans se redresser en une molécule linéaire, c'est-à-dire en restant dans sa forme circulaire caractéristique.

Vidéo: Réplication (duplication) de l'ADN

2. Maturation - la formation de chromosomes et de chromatine

3. Travail - transcription

Vidéo:Bloquer le travail du gène

4. Gestion - réglementation

5. Récupération (réparation) - réparation

6. Modification - mutation .

7. "Mort" - dégradation lors de la réplication.

Les propriétés de l'ADN sont déterminées par sa structure :

1. Polyvalence- les principes de construction de l'ADN sont les mêmes pour tous les organismes.

2. Spécificité- est déterminé par le rapport des bases azotées : A + T,

qui est propre à chaque espèce. Donc chez l'homme c'est 1,35, chez les bactéries - 0,39

La spécificité dépend de :

le nombre de nucléotides

le type de nucléotide

l'arrangement des nucléotides dans la chaîne d'ADN

2. Réplication ou auto-duplication d'ADN : ADN↔ADN. Le programme génétique des organismes cellulaires est écrit dans la séquence nucléotidique de l'ADN. Pour préserver les propriétés uniques de l'organisme, il est nécessaire de reproduire avec précision cette séquence à chaque génération suivante. Au cours de la division cellulaire, la teneur en ADN doit doubler pour que chaque cellule fille puisse recevoir le spectre complet de l'ADN, c'est-à-dire dans toute cellule somatique humaine en division, 6,4 * 10 9 paires de nucléotides doivent être copiées. Le processus de duplication de l'ADN est appelé réplication. La réplication fait référence aux réactions de synthèse de la matrice. Lors de la réplication, chacun des deux brins d'ADN sert de matrice pour la formation d'un brin complémentaire (fille). Il se déroule dans la période S de l'interphase du cycle cellulaire. La grande fiabilité du processus de réplication garantit une transmission presque sans erreur de l'information génétique sur plusieurs générations. Le signal de départ pour le début de la synthèse d'ADN dans la période S est ce que l'on appelle le facteur S (protéines spécifiques). Connaissant le taux de réplication et la longueur du chromosome eucaryote, il est possible de calculer le temps de réplication, qui est théoriquement de plusieurs jours, et en pratique, la réplication prend 6 à 12 heures. Il s'ensuit que la réplication chez les eucaryotes commence simultanément à plusieurs endroits sur une même molécule d'ADN.

L'unité de réplication est le réplicon. Un réplicon est une section d'ADN où se produit la réplication. Le nombre de réplicons par chromosome interphase chez les eucaryotes peut atteindre 100 ou plus. Dans une cellule de mammifère, il peut y avoir 20 à 30 000 réplicons, chez l'homme - environ 50 000. À un taux de croissance de chaîne fixe (pour les eucaryotes - 100 nucléotides par seconde), l'initiation multiple permet une vitesse élevée du processus et une diminution de le temps nécessaire à la duplication de sections étendues de chromosomes, ceux-ci. chez les eucaryotes polyréplicon réplication. (Fig. 21)

Le réplicon contient tous les gènes nécessaires et les séquences régulatrices qui permettent la réplication. Chaque réplicon en cours de division cellulaire est activé une fois. La réplication est contrôlée au stade de l'initiation. Une fois que le processus de doublement a commencé, il se poursuivra jusqu'à ce que le réplicon entier ait été doublé.

Chez les procaryotes, tout l'ADN est un réplicon.

Fig.21. Réplication de l'ADN chromosomique eucaryote. La réplication se déroule dans deux directions à partir de différentes origines de réplication (Ori) avec la formation de vésicules. Une « bulle » ou un « œil » est une région d'ADN répliqué dans l'ADN non répliqué. (AS Konichev, GA Sevastyanova, 2005, p. 213)

Les enzymes impliquées dans le processus de réplication sont combinées dans un complexe multi-enzymatique. 15 enzymes sont impliquées dans la réplication de l'ADN chez les procaryotes, et plus de 30 chez les eucaryotes, c'est-à-dire la réplication est un processus enzymatique multi-étapes extrêmement complexe et extrêmement précis. Les complexes enzymatiques comprennent les enzymes suivantes :

1) Les ADN polymérases (I, III) catalysent la copie complémentaire, c'est-à-dire responsable de la croissance de la chaîne de l'enfant. (Fig. 22) Les procaryotes se répliquent à un rythme de 1000 nucléotides par seconde et les eucaryotes à 100 nucléotides par seconde. Le taux réduit de synthèse chez les eucaryotes est associé à une dissociation entravée des protéines histones, qui doivent être éliminées pour déplacer l'ADN polymérase dans la fourche de réplication le long du brin d'ADN.

2) ADN - primase. Les ADN polymérases peuvent allonger une chaîne polynucléotidique en joignant des nucléotides existants. Par conséquent, pour que l'ADN polymérase puisse démarrer la synthèse de l'ADN, elle a besoin d'une graine ou d'une amorce (de l'anglais primer - seed). L'ADN-primase synthétise une telle amorce, qui est ensuite remplacée par des segments d'ADN. (Fig. 22).

3) ADN - ligase, relie les fragments d'Okazaki les uns aux autres en raison de la formation d'une liaison phosphodiester.

4) ADN - hélicase, déroule l'hélice d'ADN, rompt les liaisons hydrogène entre elles. En conséquence, deux branches d'ADN multidirectionnelles simples sont formées (Fig. 22).

5) SSB - les protéines se lient à l'ADN simple brin et le stabilisent, c'est-à-dire ils créent les conditions d'un appariement complémentaire.

La réplication de l'ADN ne commence pas à n'importe quel point aléatoire de la molécule, mais à des endroits spécifiques appelés la région (les points) de l'origine de la réplication (Ori). Ils possèdent certaines séquences nucléotidiques, ce qui facilite la séparation des chaînes (Fig. 21). À la suite de l'initiation de la réplication au point Ori, une ou deux fourches de réplication se forment - les sites de séparation des brins d'ADN maternels. Le processus de copie se poursuit jusqu'à ce que l'ADN soit complètement dupliqué ou jusqu'à ce que les fourches de réplication de deux origines de réplication adjacentes fusionnent. Les origines de réplication chez les eucaryotes sont dispersées le long du chromosome à une distance égale à 20 000 paires de bases (Fig. 21).

Fig.22. Réplication de l'ADN (explication dans le texte). (B. Alberts et al., 1994, vol. 2, p. 82)

Enzyme - hélicase– rompt les liaisons hydrogène, c'est-à-dire déroule le double brin, formant deux branches d'ADN dirigées de manière opposée (Fig. 22). Les régions monocaténaires sont reliées par des Protéines SSB, qui s'alignent à l'extérieur de chaque chaîne parente et les séparent. Cela rend les bases azotées disponibles pour la liaison aux nucléotides complémentaires. Au point où ces branches dans le sens de la réplication de l'ADN est l'enzyme ADN polymérase, qui catalyse le processus et contrôle la précision de la synthèse complémentaire. Une caractéristique du travail de cette enzyme est son unidirectionnalité, c'est-à-dire construction brin fille d'ADN va dans le sens de 5" fin à 3" . Sur un brin parent, la synthèse de l'ADN fille se poursuit en continu(chaîne principale). Elle grandit de 5" à 3" fin dans le sens du mouvement de la fourche de réplication et ne nécessite donc qu'un seul acte d'initiation. Sur l'autre chaîne mère, la synthèse de la chaîne fille se fait sous forme de courts fragments avec l'habituel 5" - 3" polarité et avec l'aide d'enzymes - ligase ils sont réticulés en une chaîne retardée continue. Par conséquent, la synthèse d'un brin retardé nécessite plusieurs actes (points) d'initiation.

Cette méthode de synthèse s'appelle réplication discontinue. Les régions de fragments synthétisées sur le brin retardé sont nommées fragments en l'honneur du découvreur. Okazaki. On les trouve dans tous les ADN qui se répliquent, aussi bien chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Leur longueur correspond à 1000-2000 nucléotides chez les procaryotes et 100-200 chez les eucaryotes. Ainsi, à la suite de la réplication, 2 molécules d'ADN identiques sont formées, dans lesquelles un brin est maternel, l'autre est nouvellement synthétisé. Ce type de réplication est appelé semi-conservateur. L'hypothèse d'une telle méthode de réplication a été faite par J. Watson et F. Crick, et prouvée en 1958. M. Méselson et F. Stalem. Après réplication, la chromatine est un système de 2 molécules d'ADN décompactées unies par un centromère.

Dans le processus de réplication, des erreurs peuvent se produire que les procaryotes et les eucaryotes ont la même fréquence - un sur 10 8 -10 10 nucléotides, c'est à dire. une moyenne de 3 erreurs par génome. C'est la preuve de la grande précision et de la coordination des processus de réplication.

Les erreurs de réplication sont corrigées par l'ADN polymérase III (le "mécanisme correcteur") ou le système de réparation.

2. Réparation- c'est la propriété de l'ADN de restaurer son intégrité, c'est-à-dire réparer les dégâts. La transmission d'informations héréditaires sous une forme non déformée est la condition la plus importante pour la survie d'un organisme individuel et de l'espèce dans son ensemble. La plupart des changements sont nocifs pour la cellule, ils entraînent soit des mutations, soit bloquent la réplication de l'ADN, soit provoquent la mort cellulaire. L'ADN est constamment exposé à des facteurs environnementaux spontanés (erreurs de réplication, perturbation de la structure des nucléotides, etc.) et induits (irradiation UV, rayonnements ionisants, mutagènes chimiques et biologiques). Au cours de l'évolution, un système a été développé qui vous permet de corriger les violations de l'ADN - Système de réparation de l'ADN. En raison de son activité, pour 1000 dommages à l'ADN, un seul entraîne des mutations. Les dommages sont tout changement dans l'ADN qui provoque une déviation de la structure normale à double brin :

1) l'apparition de cassures simple brin ;

2) élimination de l'une des bases, à la suite de quoi son homologue reste non apparié;

3) remplacement d'une base d'une paire complémentaire par une autre mal appariée avec une base partenaire ;

4) l'apparition de liaisons covalentes entre les bases d'une chaîne d'ADN ou entre les bases de chaînes opposées.

La réparation peut avoir lieu avant le doublement de l'ADN (réparation pré-réplicative) et après le doublement de l'ADN (post-réplication). Selon la nature des mutagènes et le degré d'endommagement de l'ADN dans la cellule, il y a de la lumière (photoréactivation), de l'obscurité, de la réparation SOS, etc.

Penser que photoréactivation se produit dans la cellule si les dommages à l'ADN sont causés par des conditions naturelles (caractéristiques physiologiques de l'organisme, facteurs environnementaux communs, y compris les rayons ultraviolets). La restauration de l'intégrité de l'ADN se produit dans ce cas avec la participation de la lumière visible: l'enzyme réparatrice est activée par les quanta de lumière visible, se connecte à l'ADN endommagé, déconnecte les dimères de pyrimidine de la zone endommagée et restaure l'intégrité du brin d'ADN.

Réparation sombre (excision) observé après l'action de rayonnements ionisants, de produits chimiques, etc. Cela comprend l'élimination de la zone endommagée, la restauration de la structure normale de la molécule d'ADN (Fig. 23). Ce type de réparation nécessite un second brin complémentaire d'ADN. La dark repair est en plusieurs étapes, elle fait intervenir un complexe d'enzymes, à savoir :

1) une enzyme qui reconnaît une section endommagée d'une chaîne d'ADN

2) ADN - endonucléase, fait une rupture dans la chaîne d'ADN endommagée

3) l'exonucléase élimine la partie altérée du brin d'ADN

4) ADN - la polymérase I synthétise un nouveau segment d'ADN pour remplacer celui qui a été supprimé

5) L'ADN ligase relie l'extrémité de l'ancien brin d'ADN avec le nouveau synthétisé, c'est-à-dire ferme les deux extrémités de l'ADN (Fig. 23). 25 protéines enzymatiques sont impliquées dans la réparation des ténèbres chez l'homme.

Avec d'importants dommages à l'ADN qui menacent la vie des cellules, il s'allume SOS réparation. La réparation SOS a été découverte en 1974. Ce type de réparation est noté après l'action de fortes doses de rayonnements ionisants. Une caractéristique de la réparation SOS est l'imprécision dans la restauration de la structure primaire de l'ADN, en relation avec laquelle elle a reçu le nom réparations sujettes aux erreurs. L'objectif principal de la réparation SOS est de maintenir la viabilité cellulaire.

La violation du système de réparation peut entraîner un vieillissement prématuré, le développement de cancers, des maladies du système auto-immun, la mort de cellules ou d'organismes.

Riz. 23. Réparation de l'ADN endommagé en remplaçant les résidus de nucléotides modifiés (réparation sombre ou par excision). (M. Singer, P. Berg, 1998, vol. 1, p. 100)