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13.1: Hélice d'ADN
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The DNA Helix
 
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TRANSCRIPTION

13.1: The DNA Helix

13.1: Hélice d'ADN

Overview

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA is composed of two strands of nucleotides that wind around each other to form a double helix. The discovery of the structure of DNA occurred incrementally over nearly a century, representing one of the most famous and captivating stories in the history of science.

DNA Structure in Detail

Each strand of DNA consists of subunits called nucleotides that contain the sugar deoxyribose, a phosphate group, and one of four nitrogen-containing bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). Adenine and guanine are members of a larger class of chemicals called purines that all contain two-ringed structures. Cytosine and thymine belong to a group of single-ringed structures called pyrimidines.

Adjacent nucleotides in the same strand are covalently linked by phosphodiester bonds. The two strands of nucleotides are held together by hydrogen bonds, in which the adenines in one strand pair with thymines at the same position in the other strand, and the cytosines in one strand pair with guanines in the same position in the other strand. This hydrogen bonding is made possible by the antiparallel arrangement of the two DNA strands, in which the 5’ and 3’ ends of the strands are oriented in opposite directions. Without this arrangement, the nucleotides would be in the wrong position to form hydrogen bonds between strands.

The two strands of the DNA molecule are tightly wound into a spring-like structure called a double helix. However, the double helix is not perfectly symmetrical. Instead, there are regularly occurring grooves in the structure. The major groove occurs where the sugar-phosphate backbones are relatively far apart. This space grants access to DNA-binding proteins, such as transcription factors. The minor groove, by contrast, occurs where the sugar-phosphate backbones are close together. Relatively few proteins bind to DNA via the minor groove.

The Discovery of DNA Structure: A Brief History

The story of the discovery of DNA structure begins in 1869 when Swiss scientist Friedrich Miescher discovered a substance he called “nuclein”. In the process of extracting protein from white blood cells, Miescher found an unexpected substance that had relatively high phosphorus content. He did not know what it was, but he suspected that it could be biologically important. Miescher was right, but it took decades for the scientific community to fully appreciate his insights.

The next critical discovery was made by Russian biochemist Phoebus Levene. In 1919, Levene proposed that nuclein, by then known as a nucleic acid, was composed of chains of molecules that he called polynucleotides. Levene’s proposal stemmed from his research on yeast, in which he found that individual nucleotides were composed of a phosphate group, a sugar, and a nitrogen-containing base. Although Levene’s polynucleotide model was correct in many respects, it was still unclear how the bases were arranged in the DNA molecule.

The Austrian biochemist Erwin Chargaff expanded on the work of Levene. Working in the late 1940s, Chargaff made a key finding: the amount of adenine in DNA is always roughly equal to the amount of thymine, and the amount of guanine is always roughly equal to the amount of cytosine. This pattern became known as Chargaff’s Rule and was a key piece of evidence that enabled the final elucidation of DNA structure.

In the early 1950s, American biologist James Watson and English physicist Francis Crick were racing their chief rival, American Linus Pauling, to discover the three-dimensional structure of DNA. Building on the work of Chargaff, they used knowledge of physics, mathematics, and chemistry to construct physical models of DNA. But they were unsuccessful until they received a critical piece of data: an X-ray ‘photograph’ of DNA that indicated in precise detail its double-helical structure. This photograph was the unpublished data of physicist Rosalind Franklin and was given to Watson and Crick without Franklin’s knowledge. Watson and Crick published their description of DNA structure in 1953, and together with Maurice Wilkins (a co-worker of Franklin’s), they won the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this discovery. Sadly, Franklin died in 1958 and was therefore ineligible for a Nobel Prize.

Aperçu

L’acide désoxyribonucléique, ou ADN, est le matériel génétique responsable de la transmission des traits de génération en génération dans tous les organismes et la plupart des virus. L’ADN est composé de deux brins de nucléotides qui serpentent l’un autour de l’autre pour former une double hélice. La découverte de la structure de l’ADN s’est produite progressivement sur près d’un siècle, représentant l’une des histoires les plus célèbres et captivantes de l’histoire de la science.

Structure de l’ADN en détail

Chaque brin d’ADN se compose de sous-unités appelées nucléotides qui contiennent le désoxyribose de sucre, un groupe de phosphate, et l’une des quatre bases contenant de l’azote: adénine (A), guanine (G), cytosine (C), et thymine (T). L’adénine et la guanine sont membres d’une plus grande classe de produits chimiques appelés purines qui contiennent tous des structures à deux anneaux. La cytosine et la thymine appartiennent à un groupe de structures à anneaux uniques appelées pyrimidines.

Les nucléotides adjacents dans le même brin sont codévalentment liés par des liaisons phosphodiester. Les deux brins de nucléotides sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène, dans lesquelles les adénines dans un brin s’associent à des thymines à la même position dans l’autre brin, et les cytosines dans une paire de brins avec des guanines dans la même position dans l’autre brin. Cette liaison hydrogène est rendue possible par l’arrangement antiparallel des deux brins d’ADN, dans lequel les extrémités de 5' et 3' des brins sont orientées dans des directions opposées. Sans cet arrangement, les nucléotides seraient dans la mauvaise position pour former des liaisons hydrogène entre les brins.

Les deux brins de la molécule d’ADN sont étroitement enroulés dans une structure printanière appelée double hélice. Cependant, la double hélice n’est pas parfaitement symétrique. Au lieu de cela, il ya des rainures se produisant régulièrement dans la structure. La rainure principale se produit là où les épines dorsales sucre-phosphate sont relativement éloignées. Cet espace donne accès à des protéines liant l’ADN, telles que des facteurs de transcription. La rainure mineure, en revanche, se produit lorsque les épines dorsales sucre-phosphate sont proches les unes des autres. Relativement peu de protéines se lient à l’ADN par l’intermédiaire de la rainure mineure.

La découverte de la structure de l’ADN : une brève histoire

L’histoire de la découverte de la structure de l’ADN commence en 1869 lorsque le scientifique suisse Friedrich Miescher a découvert une substance qu’il a appelée « nucléin ». Dans le processus d’extraction de protéines à partir de globules blancs, Miescher a trouvé une substance inattendue qui avait une teneur en phosphore relativement élevée. Il ne savait pas ce que c’était, mais il soupçonnait que cela pourrait être biologiquement important. Miescher avait raison, mais il a fallu des décennies à la communauté scientifique pour apprécier pleinement ses idées.

La prochaine découverte critique a été faite par le biochimiste russe Phoebus Levene. En 1919, Levene proposa que la nucléine, alors connue sous le nom d’acide nucléique, soit composée de chaînes de molécules qu’il appelait polynucléotides. La proposition de Levene découlait de ses recherches sur la levure, dans lesquelles il a constaté que les nucléotides individuels étaient composés d’un groupe de phosphate, d’un sucre et d’une base contenant de l’azote. Bien que le modèle de polynucléotide de Levene ait été correct à bien des égards, il n’était toujours pas clair comment les bases ont été arrangées dans la molécule d’ADN.

Le biochimiste autrichien Erwin Chargaff s’est développé sur le travail de Levene. Travaillant à la fin des années 1940, Chargaff a fait une constatation clé: la quantité d’adénine dans l’ADN est toujours à peu près égale à la quantité de thymine, et la quantité de guanine est toujours à peu près égale à la quantité de cytosine. Ce modèle est devenu connu sous le nom de règle de Chargaff et était un élément clé de preuve qui a permis l’élucidation finale de la structure de l’ADN.

Au début des années 1950, le biologiste américain James Watson et le physicien anglais Francis Crick faisaient la course à leur principal rival, l’Américain Linus Pauling, pour découvrir la structure tridimensionnelle de l’ADN. S’appuyant sur le travail de Chargaff, ils ont utilisé la connaissance de la physique, des mathématiques et de la chimie pour construire des modèles physiques de l’ADN. Mais ils n’ont pas réussi jusqu’à ce qu’ils reçoivent un morceau critique de données: une radiographie « photographie » de l’ADN qui a indiqué en détail sa structure double-hélicoïdale. Cette photographie était les données inédites de la physicienne Rosalind Franklin et a été donnée à Watson et Crick à l’insu de Franklin. Watson et Crick ont publié leur description de la structure de l’ADN en 1953, et avec Maurice Wilkins (un collègue de Franklin), ils ont remporté le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1962 pour cette découverte. Malheureusement, Franklin est mort en 1958 et n’était donc pas admissible à un prix Nobel.


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