Introduction
Depuis le XIXe siècle, la théorie cellulaire a profondément transformé la biologie : elle établit que tous les êtres vivants sont constitués de cellules, que toute cellule provient d’une autre cellule et que la cellule est l’unité de base du vivant. Dès lors, les scientifiques cherchent à comprendre ce qui, dans ces cellules, porte les informations permettant aux organismes de se construire, de fonctionner et de se reproduire.
Au milieu du XXe siècle, deux chercheurs, James Watson (biologiste américain, 1928-) et Francis Crick (biophysicien britannique, 1916-2004), décrivent la structure en double hélice de l’ADN, grâce aux travaux de Rosalind Franklin (biophysicienne britannique, 1920-1958), dont les clichés de diffraction aux rayons X révèlent la forme de cette molécule. Cette découverte marque la naissance de la biologie moléculaire et identifie enfin le support de l’information génétique.
Mais qu’est-ce que l’ADN ? Quelle est sa structure et comment cette molécule minuscule parvient-elle à stocker, copier et transmettre l’information génétique de tous les êtres vivants ?
La structure de l’ADN : une double hélice formée de nucléotides
L’ADN (acide désoxyribonucléique) est une longue molécule contenant les instructions nécessaires à la fabrication et au fonctionnement des êtres vivants. Chez les cellules eucaryotes (animaux, végétaux, champignons), l’ADN se trouve principalement dans le noyau, mais aussi dans des organites comme les mitochondries (petites structures produisant l’énergie de la cellule) et les chloroplastes (organites verts des cellules végétales responsables de la photosynthèse). Chez les cellules procaryotes, comme les bactéries, qui ne possèdent pas de noyau, l’ADN est libre dans le cytoplasme, organisé sous forme d’un chromosome circulaire.
La molécule d’ADN est constituée de deux chaînes complémentaires enroulées l’une autour de l’autre : c’est la célèbre double hélice découverte par Watson et Crick.
Chaque chaîne est formée de nucléotides, petites unités répétées qui s’assemblent comme les maillons d’un collier. Un nucléotide comprend trois éléments :
Un sucre (le désoxyribose).
Un groupe phosphate.
Une base azotée parmi quatre : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G).
Les deux chaînes s’associent grâce à la complémentarité des bases : A s’apparie toujours avec T, et C avec G. Ces paires sont reliées par des liaisons faibles (liaisons hydrogène), assurant à la fois stabilité et souplesse, permettant à la molécule de s’ouvrir lors de sa duplication.
L’observation d’un modèle d’ADN au laboratoire ou la réalisation d’une extraction d’ADN (à partir de fruits comme la fraise ou la banane) constitue une activité expérimentale classique de Seconde : elle permet de visualiser concrètement cette molécule pourtant invisible à l’œil nu.
À retenir
L’ADN est une double hélice composée de deux chaînes de nucléotides associées par la complémentarité des bases (A-T et C-G). Cette organisation stable permet à la molécule de se copier fidèlement et de stocker durablement l’information génétique.
L’ADN organisé en gènes : un langage universel
L’ADN d’un organisme est extrêmement long et compacté dans les chromosomes. Chaque chromosome contient des milliers de gènes, segments particuliers de l’ADN qui codent pour la fabrication de molécules, le plus souvent des protéines.
Un gène correspond à une séquence précise de nucléotides, dont l’ordre détermine la suite d’acides aminés formant une protéine. C’est ce lien entre la séquence de l’ADN et la protéine produite qu’on appelle le code génétique : c’est la correspondance entre un groupe de trois bases successives, appelé codon, et un acide aminé.
Ce code génétique est universel : les mêmes bases A, T, C et G servent à coder les mêmes acides aminés chez tous les êtres vivants. Cela signifie qu’un gène humain introduit dans une bactérie peut y fonctionner, ce qui est exploité dans la recherche et les biotechnologies.
Ainsi, toutes les cellules d’un même organisme contiennent le même ADN, mais elles n’expriment pas les mêmes gènes : seules certaines parties de l’information sont utilisées selon la fonction de la cellule.
L’observation microscopique d’un noyau coloré au bleu de méthylène ou d’une photographie de chromosomes permet de localiser l’ADN dans la cellule. Dans une cellule humaine, on compte 46 chromosomes, soit environ 3 milliards de paires de bases. Si l’on déroulait toute cette molécule, elle mesurerait près de 2 mètres, mais elle est si finement repliée qu’elle tient dans un noyau de quelques micromètres.
À retenir
L’ADN est organisé en gènes, chacun codant une information. Le code génétique traduit la correspondance entre triplets de bases (codons) et acides aminés. Ce code est universel à tous les êtres vivants.
La duplication de l’ADN : une copie fidèle avant chaque division
Avant qu’une cellule ne se divise, son ADN doit être copié afin que chaque cellule fille reçoive le même patrimoine génétique. Cette duplication repose sur un processus appelé réplication semi-conservative : les deux brins de la double hélice se séparent, et chacun sert de modèle pour la fabrication d’un nouveau brin complémentaire.
L’enzyme ADN polymérase joue un rôle central dans ce mécanisme : elle lit la séquence d’un brin et assemble les nucléotides complémentaires (A en face de T, C en face de G). Chaque nouvelle molécule d’ADN est donc composée d’un brin ancien et d’un brin nouvellement synthétisé. Ce procédé garantit la fidélité de la transmission de l’information génétique au fil des divisions cellulaires.
Ce processus, mis en évidence dans les années 1950 par l’expérience de Meselson et Stahl, illustre la précision remarquable du vivant dans la conservation de ses instructions moléculaires.
À retenir
La duplication de l’ADN est semi-conservative : chaque molécule fille contient un brin ancien et un brin nouvellement formé. L’enzyme ADN polymérase assure la synthèse du nouveau brin en respectant la complémentarité des bases.
L’ADN, support de l’information génétique et de l’hérédité
Lors de la reproduction sexuée, l’information génétique est transmise d’une génération à l’autre par les cellules reproductrices (spermatozoïdes et ovules). Chacune contient la moitié du patrimoine génétique de l’espèce. Lors de la fécondation, leurs noyaux fusionnent : les ADN parentaux se combinent, donnant un nouvel individu qui reçoit la moitié de ses gènes de chaque parent.
Chaque gène peut exister sous plusieurs versions différentes, appelées allèles. Ces allèles codent pour des variantes d’un même caractère (par exemple, la couleur des yeux). Lors de la reproduction, la recombinaison génétique crée de nouvelles combinaisons alléliques, à l’origine de la diversité génétique observée entre les individus.
Cette transmission explique à la fois la ressemblance familiale et les différences individuelles. Les progrès récents, comme le séquençage de l’ADN, permettent d’étudier cette diversité, d’identifier des gènes impliqués dans certaines maladies et de mieux comprendre l’évolution des espèces.
À retenir
L’ADN est le support de l’hérédité. Lors de la reproduction sexuée, la recombinaison des allèles crée de nouvelles combinaisons génétiques. Cette variabilité est à la base de la diversité du vivant.
Conclusion
L’ADN est la molécule universelle du vivant. Par sa structure en double hélice, sa composition en nucléotides et son code génétique commun à tous les êtres vivants, elle constitue le langage chimique de la vie. Localisée dans le noyau des cellules eucaryotes ou dans le cytoplasme des procaryotes, elle est copiée fidèlement à chaque division et transmise de génération en génération.
Des découvertes de Watson, Crick et Franklin aux recherches actuelles sur le génome, l’étude de l’ADN reste au cœur de la biologie moderne : comprendre cette molécule, c’est comprendre à la fois la mémoire, la stabilité et la diversité du vivant.