Généralité
L'ARN, ou acide ribonucléique, est l'acide nucléique impliqué dans les processus de codage, de décodage, de régulation et d'expression des gènes. Les gènes sont des segments d'ADN plus ou moins longs, qui contiennent les informations fondamentales pour la synthèse des protéines.
Figure : Bases azotées dans une molécule d'ARN. De wikipedia.org
En termes très simples, l'ARN dérive de l'ADN et représente la molécule de transition entre l'ADN et les protéines. Certains chercheurs l'appellent le "dictionnaire pour traduire le langage de l'ADN dans le langage des protéines".
Les molécules d'ARN dérivent de l'union, en chaînes, d'un nombre variable de ribonucléotides.Un groupement phosphate, une base azotée et un sucre à 5 carbones, appelé ribose, participent à la formation de chaque ribonucléotide unique.
Qu'est-ce que l'ARN ?
L'ARN, ou acide ribonucléique, est une macromolécule biologique, appartenant à la catégorie des acides nucléiques, qui joue un rôle central dans la génération de protéines à partir de l'ADN.
La génération de protéines (également de macromolécules biologiques) comprend une série de processus cellulaires qui, pris ensemble, sont appelés synthèse protéique.
L'ADN, l'ARN et les protéines sont essentiels pour assurer la survie, le développement et le bon fonctionnement des cellules des organismes vivants.
Qu'est-ce que l'ADN ?
L'ADN, ou acide désoxyribonucléique, est l'autre acide nucléique naturel, avec l'ARN.
Structurellement similaire à l'acide ribonucléique, l'acide désoxyribonucléique est le patrimoine génétique, c'est-à-dire la « réserve de gènes », contenue dans les cellules des organismes vivants. La formation de l'ARN et, indirectement, celle des protéines dépend de l'ADN.
HISTOIRE DE L'ARN
Figure : ribose et désoxyribose
Les recherches sur l'ARN ont commencé après 1868, l'année où Friedrich Miescher a découvert les acides nucléiques.
Les premières découvertes importées à cet égard sont datées entre la seconde partie des "années 50 du XXe siècle et la première partie des années 60". Parmi les scientifiques qui ont participé à ces découvertes, les suivants méritent une mention particulière : Severo Ochoa, Alex Rich, David Davies et Robert Holley.
En 1977, un groupe de chercheurs, dirigé par Philip Sharp et Richard Roberts, a déchiffré le processus de épissure des introns.
En 1980, Thomas Cech et Sidney Altman ont identifié des ribozymes.
* Remarque : pour savoir ce qu'ils sont épissure d'introns et de ribozymes, voir les chapitres consacrés à la synthèse de l'ANN et aux fonctions.
Structure
D'un point de vue chimico-biologique, l'ARN est un biopolymère.Les biopolymères sont de grosses molécules naturelles, résultant de l'union, en chaînes ou filaments, de nombreuses unités moléculaires plus petites, appelées monomères.
Les monomères qui composent l'ARN sont les nucléotides.
L'ANN EST GÉNÉRALEMENT UNE CHAÎNE UNIQUE
Les molécules d'ARN sont généralement constituées de chaînes simples de nucléotides (brins polynucléotidiques).
La longueur des ARN cellulaires varie de moins d'une centaine à plusieurs milliers de nucléotides.
Le nombre de nucléotides constitutifs dépend du rôle joué par la molécule en question.
Comparaison avec l'ADN
Contrairement à l'ARN, l'ADN est un biopolymère généralement constitué de deux brins de nucléotides.
Réunis, ces deux filaments polynucléotidiques ont des orientations opposées et, en s'enroulant l'un dans l'autre, forment une double spirale appelée « double hélice ».
Une molécule d'ADN humain générique peut contenir environ 3,3 milliards de nucléotides par brin.
STRUCTURE GÉNÉRIQUE D'UN NUCLÉOTIDE
Par définition, les nucléotides sont les unités moléculaires qui composent les acides nucléiques ARN et ADN.
Du point de vue structural, un nucléotide générique résulte de l'union de trois éléments, qui sont :
- Un groupe phosphate, qui est un dérivé de l'acide phosphorique ;
- Un pentose, c'est-à-dire un sucre à 5 atomes de carbone ;
- Une base azotée, qui est une molécule hétérocyclique aromatique.
Le pentose représente l'élément central des nucléotides, car le groupe phosphate et la base azotée s'y fixent.
Figure : Éléments qui composent un nucléotide générique d'un acide nucléique. Comme on peut le voir, le groupe phosphate et la base azotée se lient au sucre.
La liaison chimique qui maintient le pentose et le groupe phosphate ensemble est une liaison phosphodiester, tandis que la liaison chimique qui lie le pentose et la base azotée est une liaison N-glycosidique.
QU'EST-CE QUE LE PENTOSE DE L'ARN?
Prémisse: les chimistes ont pensé à numéroter les carbones qui composent les molécules organiques, de manière à simplifier leur étude et leur description. Voici donc que les 5 carbones d'un pentose deviennent : carbone 1, carbone 2, carbone 3, carbone 4 et carbone 5. Le critère d'attribution des nombres est assez complexe, par conséquent nous jugeons approprié de laisser de côté l'explication.
Le sucre à 5 carbones, qui distingue la structure nucléotidique de l'ARN, est le ribose.
Sur les 5 atomes de carbone du ribose, ils méritent une mention spéciale :
- Les carbone 1, car c'est ce qui se lie à la base azotée, par une liaison N-glycosidique.
- Les carbone 2, car c'est ce qui distingue le pentose des nucléotides de l'ARN du pentose des nucléotides de l'ADN. Connecté au carbone 2 de l'ARN, il y a un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène, qui forment ensemble un groupe hydroxyle OH.
- Les carbone 3, car c'est celui qui participe à la liaison entre deux nucléotides consécutifs.
- Les carbone 5, car c'est ce qui rejoint le groupe phosphate, par l'intermédiaire d'une liaison phosphodiester.
En raison de la présence du sucre ribose, les nucléotides de l'ARN prennent le nom spécifique de ribonucléotides.
Comparaison avec l'ADN
Le pentose qui compose les nucléotides de l'ADN est le désoxyribose.
Le désoxyribose diffère du ribose par l'absence d'atomes d'oxygène sur le carbone 2.
Par conséquent, il manque le groupe hydroxyle OH qui caractérise le sucre à 5 carbones de l'ARN.
En raison de la présence de sucre désoxyribose, les nucléotides d'ADN sont également appelés désoxyribonucléotides.
TYPES DE NUCLEOTIDES ET BASES AZOTES
L'ARN a 4 types différents de nucléotides.
Pour distinguer ces 4 types différents de nucléotides, il n'y a que la base azotée.
Pour des raisons évidentes, les bases azotées de l'ARN sont donc au nombre de 4, à savoir : l'adénine (en abrégé A), la guanine (G), la cytosine (C) et l'uracile (U).
L'adénine et la guanine appartiennent à la classe des purines, composés hétérocycliques aromatiques à double cycle.
La cytosine et l'uracile, en revanche, entrent dans la catégorie des pyrimidines, des composés hétérocycliques aromatiques à cycle unique.
Comparaison avec l'ADN
Les bases azotées qui distinguent les nucléotides de l'ADN sont les mêmes que celles de l'ARN, à l'exception de l'uracile. A la place de ce dernier "c" se trouve une base azotée appelée thymine (T), qui appartient à la catégorie des pyrimidines.
LIEN ENTRE LES NUCLEOTIDES
Chaque nucléotide formant n'importe quel brin d'ARN se lie au nucléotide suivant au moyen d'une liaison phosphodiester entre le carbone 3 de son pentose et le groupe phosphate du nucléotide suivant immédiatement.
LES EXTRÉMITÉS D'UNE MOLÉCULE D'ARN
Tout brin polynucléotidique d'ARN a deux extrémités, connues sous le nom de 5 "fin (lire "fin cinq premiers") et de fin 3" (lire "fin trois premiers").
Par convention, les biologistes et les généticiens ont établi que "l'extrémité 5" représente la tête d'un brin d'ARN, tandis que "l'extrémité 3" représente sa queue.
Du point de vue chimique, le "5 bout" coïncide avec le groupe phosphate du premier nucléotide de la chaîne polynucléotidique, tandis que le "3 bout" coïncide avec le groupe hydroxyle placé sur le carbone 3 du dernier nucléotide de la même chaîne.
C'est sur la base de cette organisation que, dans les livres de génétique et de biologie moléculaire, les filaments polynucléotidiques de tout acide nucléique sont décrits comme suit : P-5 "→ 3" -OH (* Remarque : la lettre P indique le " atome de phosphore du groupe phosphate).
En appliquant les concepts d'extrémité 5 "et 3" à un seul nucléotide, l'extrémité "5" de ce dernier est le groupe phosphate lié au carbone 5, tandis que son extrémité 3" est le groupe hydroxyle lié au carbone 3.
Dans les deux cas, s" invite le lecteur à prêter attention à la récurrence numérique : extrémité 5" - groupe phosphate sur le carbone 5 et extrémité 3" - groupe hydroxyle sur le carbone 3.
Emplacement
Dans les cellules nucléées (c'est-à-dire le noyau) d'un être vivant, des molécules d'ARN peuvent être trouvées à la fois dans le noyau et dans le cytoplasme.
Cette large localisation dépend du fait que certains des processus cellulaires, ayant l'ARN comme protagoniste, sont localisés dans le noyau, tandis que d'autres ont lieu dans le cytoplasme.
Comparaison avec l'ADN
L'ADN des organismes eucaryotes (donc aussi l'ADN humain) se trouve uniquement à l'intérieur du noyau cellulaire.
- L'ARN est une molécule biologique plus petite que l'ADN, généralement constituée d'un seul brin de nucléotides.
- Le pentose qui constitue les nucléotides de l'acide ribonucléique est le ribose.
- Les nucléotides d'ARN sont également appelés ribonucléotides.
- L'ARN d'acide nucléique ne partage que 3 bases azotées sur 4 avec l'ADN.En fait, au lieu de la thymine, il possède la base azotée uracile.
- L'ARN peut résider dans divers compartiments de la cellule, du noyau au cytoplasme.
Synthèse
Le processus de synthèse d'ARN a pour protagoniste une enzyme intracellulaire (c'est-à-dire située à l'intérieur de la cellule), appelée ARN polymérase (NB : une enzyme est une protéine).
L'ARN polymérase d'une cellule utilise l'ADN, présent à l'intérieur du noyau de la même cellule, comme s'il s'agissait d'une matrice, pour créer l'ARN.
En d'autres termes, c'est une sorte de copieur qui transcrit ce que rapporte l'ADN dans un langage différent, qui est celui de « ARN ».
De plus, ce processus de synthèse d'ARN, par le travail de l'ARN polymérase, prend le nom scientifique de transcription.
Les organismes eucaryotes, tels que les humains, possèdent 3 classes différentes d'ARN polymérase : l'ARN polymérase I, l'ARN polymérase II et l'ARN polymérase III.
Chaque classe d'ARN polymérase crée des types particuliers d'ARN qui, comme le lecteur pourra le constater dans les prochains chapitres, ont des rôles biologiques différents dans le contexte de la vie cellulaire.
COMMENT FONCTIONNE L'ARN POLYMÉRASE
Une « ARN polymérase est capable de :
- Reconnaître, sur l'ADN, le site à partir duquel commencer la transcription,
- Se lier à l'ADN,
- Séparer les deux brins polynucléotidiques de l'ADN (qui sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre bases azotées), de manière à n'agir que sur un seul brin, et
- Commencer la synthèse du transcrit d'ARN.
Chacune de ces étapes a lieu chaque fois qu'une "ARN polymérase est sur le point d'effectuer le processus de transcription. Par conséquent, ce sont toutes des étapes obligatoires".
L'ARN polymérase synthétise les molécules d'ARN dans la direction 5 "→ 3". Lorsqu'elle ajoute des ribonucléotides à la molécule d'ARN naissante, elle se déplace sur le brin d'ADN matrice dans la direction 3 "→ 5".
MODIFICATIONS DE LA TRANSCRIPTION ARN
Après sa transcription, l'ARN subit quelques modifications, notamment : l'ajout de certaines séquences de nucléotides aux deux extrémités, la perte des soi-disant introns (un processus connu sous le nom de épissure) etc.
Par conséquent, par rapport au segment d'ADN d'origine, l'ARN résultant présente quelques différences dans la longueur de la chaîne polynucléotidique (il est généralement plus court).
Les types
Il existe différents types d'ARN.
Les plus connus et étudiés sont : les « ARN de transport (ou ARN de transfert ou ARNt), les « ARN messagers (ou ARN messagers ou ARNm), les « ARN ribosomiques (ou ARN ribosomal ou ARNr) et les petits ARN nucléaires (ou petit ARN nucléaire ou snRNA).
Bien qu'ils jouent des rôles spécifiques différents, les ARNt, ARNm, ARNr et ARNsn contribuent tous à la réalisation d'un objectif commun : la synthèse de protéines, à partir des séquences nucléotidiques présentes dans l'ADN.
ENCORE D'AUTRES TYPES D'ARN
Dans les cellules des organismes eucaryotes, les chercheurs ont trouvé d'autres types d'ARN, en plus des 4 mentionnés ci-dessus. Par exemple:
- Les micro ARN (ou miARN), qui sont des brins d'un peu plus de 20 nucléotides de long, e
- L'ARN qui compose les ribozymes Les ribozymes sont des molécules d'ARN ayant une activité catalytique, comme les enzymes.
Les miARN et les ribozymes participent également au processus de synthèse des protéines, tout comme l'ARNt, l'ARNm, etc.
Fonction
L'ARN représente la macromolécule biologique de passage entre l'ADN et les protéines, c'est-à-dire de longs biopolymères dont les unités moléculaires sont des acides aminés.
L'ARN est comparable à un dictionnaire d'informations génétiques, car il permet de traduire les segments nucléotidiques de l'ADN (qui sont alors les soi-disant gènes) en acides aminés des protéines.
L'une des descriptions les plus fréquentes du rôle fonctionnel joué par « l'ARN est la suivante : » L'ARN est « l'acide nucléique impliqué dans le codage, le décodage, la régulation et l'expression des gènes ».
L'« ARN est l'un des trois éléments clés du dogme dit central de la biologie moléculaire, qui stipule : » De l'ADN dérive « l'ARN, dont dérivent à leur tour les protéines » (ADN → ARN → protéines).
TRANSCRIPTION ET TRADUCTION
En bref, la transcription est la série de réactions cellulaires qui conduisent à la formation de molécules d'ARN, à commencer par l'ADN.
La traduction, quant à elle, est l'ensemble des processus cellulaires qui se terminent par la production de protéines, à partir des molécules d'ARN produites lors du processus de transcription.
Les biologistes et les généticiens ont inventé le terme « traduction », car du langage des nucléotides on passe au langage des acides aminés.
TYPES ET FONCTIONS
Les processus de transcription et de traduction voient tous les types d'ARN précités comme protagonistes (ARNt, ARNm, etc.) :
- Un ARNm est une molécule d'ARN codant pour une protéine. En d'autres termes, les ARNm sont les protéines avant le processus de traduction des nucléotides en acides aminés des protéines.
Les ARNm subissent plusieurs modifications après leur transcription. - Les ARNt sont des molécules d'ARN non codantes, mais néanmoins essentielles à la formation des protéines. En fait, ils jouent un rôle clé dans le déchiffrement de ce que rapportent les molécules d'ARNm.
Le nom « ARN de transport » vient du fait que ces ARN portent un acide aminé sur eux. Pour être plus précis, chaque acide aminé correspond à un ARNt spécifique.
Les ARNt interagissent avec l'ARNm par l'intermédiaire de trois nucléotides particuliers dans leur séquence. - Les ARNr sont les molécules d'ARN qui composent les ribosomes. Les ribosomes sont des structures cellulaires complexes qui, en se déplaçant le long de l'ARNm, rassemblent les acides aminés d'une protéine.
Un ribosome générique contient en son sein des sites où il est capable d'héberger les ARNt et de les faire rencontrer l'ARNm.C'est ici que les trois nucléotides particuliers mentionnés ci-dessus interagissent avec l'ARN messager. - Les ARNsn sont des molécules d'ARN qui participent au processus de épissure d'introns présents sur l'ARNm.Les introns sont de courts segments d'ARNm non codant, inutiles aux fins de la synthèse des protéines.
- Les ribozymes sont des molécules d'ARN qui catalysent la coupure des brins ribonucléotidiques, si nécessaire.
Figure : traduction de l'ARNm.
