L'ADN, support de l'information génétique
Cours complet · SVT (seconde), chapitre 2 · seconde générale, sciences de la vie et de la Terre
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Toutes les cellules de tous les êtres vivants – bactérie, champignon, plante, animal, être humain – contiennent la même molécule pour stocker leur information héréditaire : l'ADN (acide désoxyribonucléique). Ce chapitre en décrit la localisation, la structure et le rôle, et explique pourquoi son universalité rend possible des techniques comme la transgenèse.
2.1 Une molécule présente dans tous les êtres vivants
L'ADN (acide désoxyribonucléique) est la molécule qui porte l'information génétique dans toutes les cellules de tous les êtres vivants connus, quel que soit leur degré de complexité ou leur espèce. On parle d'universalité de la molécule d'ADN.
Cette universalité est un argument fort en faveur de la parenté entre tous les êtres vivants : ils partagent tous le même « langage » moléculaire pour coder l'information biologique, même si la séquence elle-même diffère d'une espèce à l'autre, voire d'un individu à l'autre au sein d'une même espèce.
On trouve de l'ADN aussi bien dans une bactérie Escherichia coli, dans une levure de boulangerie, dans une feuille de basilic que dans une cellule de la peau humaine. Dans tous les cas, la molécule a la même structure chimique de base : seule la séquence des informations qu'elle porte change.
2.2 Localisation de l'ADN dans la cellule
Chez les organismes dont les cellules possèdent un noyau (cellules eucaryotes : animaux, végétaux, champignons), l'ADN est contenu dans le noyau cellulaire, où il est associé à des protéines pour former des structures compactes appelées chromosomes.
Propriété : Localisation nucléaire
Dans une cellule eucaryote, l'ADN est localisé dans le noyau, organisé en chromosomes. Chaque espèce possède un nombre de chromosomes caractéristique : par exemple, une cellule humaine (hors cellules reproductrices) possède 46 chromosomes, organisés en 23 paires.
Un chromosome, observé lors de la division cellulaire, apparaît condensé en une structure en forme de bâtonnet. Décondensé, il correspond en réalité à une très longue molécule d'ADN repliée sur elle-même et enroulée autour de protéines.
Cette localisation nucléaire n'est cependant pas la seule. Chez les procaryotes – les bactéries, dont les cellules ne possèdent pas de noyau – l'ADN n'est pas enfermé dans un noyau : il se trouve directement dans le cytoplasme. Par ailleurs, même chez les eucaryotes, une petite quantité d'ADN existe en dehors du noyau, dans certains organites (les mitochondries, et les chloroplastes des cellules végétales). L'essentiel de l'information génétique reste toutefois porté par l'ADN du noyau. Dans tous les cas, chaque cellule vivante contient de l'ADN : c'est bien une molécule universelle.
2.3 La structure de la molécule d'ADN
2.3.1 La double hélice
Observée en détail, la molécule d'ADN a la forme d'une double hélice : deux longs filaments, appelés brins, enroulés l'un autour de l'autre et maintenus ensemble sur toute leur longueur.
Chaque brin d'ADN est une chaîne de milliers à millions d'unités appelées nucléotides, reliées bout à bout. Un nucléotide est composé d'un sucre, d'un groupe phosphate, et d'une base azotée. Il existe quatre bases azotées différentes :
- l'Adénine (A) ;
- la Thymine (T) ;
- la Guanine (G) ;
- la Cytosine (C).
La figure fig:nucleotide montre l'organisation d'un nucléotide : un groupe phosphate et un sucre (le désoxyribose) forment le « montant » du brin, tandis que la base azotée constitue le « barreau ». C'est uniquement la base (A, T, G ou C) qui change d'un nucléotide à l'autre.
2.3.2 La complémentarité des bases
Les deux brins de la double hélice ne sont pas indépendants : ils sont reliés par des liaisons entre bases azotées, selon une règle stricte.
Propriété : Complémentarité des bases
Sur les deux brins d'une molécule d'ADN, chaque base d'un brin s'apparie toujours avec une base précise de l'autre brin :
- l'Adénine (A) s'apparie toujours avec la Thymine (T) ;
- la Guanine (G) s'apparie toujours avec la Cytosine (C).
On dit que les deux brins sont complémentaires. Connaître la séquence d'un brin permet donc de reconstituer automatiquement celle de l'autre.
La figure fig:double-helice représente, de façon simplifiée (schéma « en échelle », la torsion de l'hélice n'étant pas figurée), un court fragment de molécule d'ADN : les deux montants représentent les deux brins (l'enchaînement sucre-phosphate), et chaque barreau une paire de bases complémentaires.
Méthode : Écrire le brin complémentaire d'une séquence d'ADN
Pour trouver la séquence du second brin à partir de celle du premier :
- repérer chaque base du brin connu, dans l'ordre ;
- remplacer chaque A par un T, et chaque T par un A ;
- remplacer chaque G par un C, et chaque C par un G ;
- conserver le même ordre (les deux brins sont alignés base par base, en face l'une de l'autre).
Soit le brin d'ADN de séquence :
En appliquant la règle de complémentarité (AT, GC), le brin complémentaire est :
2.4 La séquence des bases : support de l'information génétique
Ce qui distingue une molécule d'ADN d'une autre – et donc un individu, ou une espèce, d'un(e) autre – ce n'est pas la structure chimique (identique partout), mais l'ordre, c'est-à-dire la séquence, dans lequel les quatre bases A, T, G et C se succèdent le long d'un brin.
Propriété : La séquence porte l'information
L'information génétique est portée par l'ordre d'enchaînement des bases A, T, G, C le long de la molécule d'ADN. Avec seulement quatre « lettres », l'ADN peut coder une quantité immense d'informations différentes, de la même façon qu'un alphabet limité permet d'écrire un nombre illimité de textes différents.
L'ADN d'une cellule humaine comporte environ 3\times 10^{9} (trois milliards) de paires de bases réparties sur les 46 chromosomes. Si l'on « déroulait » l'ADN d'une seule cellule humaine, il mesurerait environ de long.
2.4.1 Le gène
Un gène est une portion de la molécule d'ADN (une séquence précise de bases) qui porte une information génétique déterminée, en général l'information nécessaire à la fabrication d'une protéine ou d'un caractère particulier.
Un chromosome porte ainsi, les uns à la suite des autres le long de la molécule d'ADN, un très grand nombre de gènes différents, chacun occupant un emplacement précis (son locus).
2.4.2 Les allèles
Un allèle est une version particulière d'un gène, qui se distingue des autres versions du même gène par de petites différences dans sa séquence de bases. Les différents individus d'une espèce possèdent, pour un même gène, des allèles identiques ou différents selon les cas.
Le gène qui détermine le groupe sanguin humain (système ABO) existe sous plusieurs allèles (A, B, O). Deux individus peuvent posséder des combinaisons d'allèles différentes pour ce même gène, ce qui explique la diversité des groupes sanguins dans la population.
La figure fig:gene-alleles illustre la différence entre un gène (un emplacement sur le chromosome) et ses allèles (les versions possibles de la séquence à cet emplacement).
2.5 Les mutations : des modifications de la séquence
La séquence des bases n'est pas immuable : elle peut être modifiée. On parle alors de mutation.
Une mutation est une modification de la séquence de bases de l'ADN : une base peut être remplacée par une autre, ajoutée ou supprimée. Une mutation peut toucher un gène et créer ainsi un nouvel allèle de ce gène.
La figure fig:mutation illustre le cas le plus simple : le remplacement d'une base par une autre. Une seule « lettre » de la séquence change, ce qui suffit à produire une version nouvelle du gène.
Propriété : Origine des mutations
Les mutations peuvent survenir :
- de façon spontanée, lors de la copie de l'ADN par la cellule (erreur rare mais inévitable) ;
- sous l'effet d'agents mutagènes, qui augmentent la fréquence des mutations : rayonnements ultraviolets (UV) du soleil, substances chimiques du tabac, certains virus, radioactivité, etc.
Dans tous les cas, une mutation est un événement aléatoire : elle touche l'ADN au hasard et ne se produit pas en réponse à un besoin de l'organisme.
- La plupart des mutations sont neutres : elles ne modifient pas, ou peu, le fonctionnement de la cellule (par exemple si elles touchent une portion d'ADN non essentielle).
- Certaines mutations sont à l'origine de maladies génétiques : par exemple, une mutation du gène responsable de la production de l'hémoglobine peut provoquer la drépanocytose.
- D'autres mutations sont à l'origine de la diversité des individus au sein d'une espèce (couleur des yeux, groupe sanguin, etc.), diversité sur laquelle peut ensuite agir la sélection naturelle.
Les mutations sont ainsi, à l'échelle des populations et sur de longues durées, une des sources principales de la diversité génétique du vivant : sans mutation, il n'existerait pas de nouveaux allèles.
2.6 Universalité de l'ADN et applications
Puisque l'ADN a la même structure chimique et obéit aux mêmes règles de complémentarité dans toutes les espèces, une séquence d'ADN donnée a la même signification biologique quelle que soit l'espèce qui la porte.
Propriété : Universalité de l'information génétique
Une même séquence d'ADN porte la même information dans presque toutes les espèces vivantes. Insérée dans une cellule d'une autre espèce, elle y produit en général le même effet.
Cette universalité est ce qui rend possible le génie génétique : les scientifiques savent transférer un gène d'une espèce à une autre, la cellule receveuse étant capable d'utiliser cette information « étrangère » exactement comme s'il s'agissait de la sienne.
La transgenèse est la technique qui consiste à transférer un gène d'une espèce vers une autre. L'organisme qui reçoit ainsi un gène étranger, et l'exprime, est appelé un organisme génétiquement modifié (OGM).
La figure fig:transgenese en résume le principe : un gène prélevé chez une espèce est inséré dans les cellules d'une autre espèce, qui l'exprime alors comme s'il s'agissait de l'un des siens – ce qui n'est possible que grâce à l'universalité de l'ADN.
- Insuline humaine : le gène humain de l'insuline a été inséré dans des bactéries, qui produisent alors de l'insuline utilisable pour traiter le diabète, à grande échelle et à moindre coût.
- Maïs Bt : un gène de la bactérie Bacillus thuringiensis, codant une protéine insecticide, a été inséré dans des plants de maïs pour les rendre résistants à certains insectes ravageurs.
- « Souris fluorescentes » : le gène codant une protéine fluorescente d'une méduse, inséré chez d'autres animaux, leur fait produire cette même protéine et émettre une fluorescence – preuve expérimentale directe de l'universalité du code génétique.
2.7 Ce qu'il faut retenir
- L'ADN est une molécule universelle : présente, avec la même structure chimique, dans toutes les cellules de tous les êtres vivants.
- Chez les eucaryotes, l'ADN est localisé dans le noyau, organisé en chromosomes.
- L'ADN est une double hélice formée de deux brins complémentaires de nucléotides, portant chacun l'une des quatre bases A, T, G, C, avec la règle A--T et G--C.
- L'ordre des bases (la séquence) constitue l'information génétique.
- Un gène est une portion d'ADN porteuse d'une information ; ses différentes versions sont les allèles.
- Une mutation modifie, de façon aléatoire, la séquence des bases (spontanément ou sous l'effet d'agents mutagènes comme les UV ou le tabac) : c'est une source d'allèles nouveaux, de diversité génétique, et parfois de maladies.
- L'universalité de l'ADN permet le génie génétique et la production d'OGM par transgenèse.