La masse totale des molécules d'ADN est de 46. Résoudre des problèmes de biologie moléculaire. Y a-t-il eu une évolution ?

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Problème 1
La masse totale de toutes les molécules d'ADN de 16 chromosomes d'un cellule somatiqueégal à 4 10 9 mg (2C). Déterminer quelle sera la masse de tous les chromosomes dans une cellule fille et deux cellules filles formées après la mitose ?
Solution:

Problème 2
La masse totale de toutes les molécules d'ADN dans les 46 chromosomes d'une cellule somatique est de 6,10,9 mg (4C). Déterminer quelle sera la masse de tous les chromosomes dans une cellule fille et deux cellules filles formées après la mitose ? Solution:


Ainsi, la masse totale de toutes les molécules d'ADN dans une cellule fille est de 3,10,9 mg (2C), et dans deux cellules filles, elle est de 6,10,9 mg (2C).

Problème 3
La masse totale de toutes les molécules d'ADN des 22 chromosomes d'une cellule somatique est de 2,10,9 mg (4C). Déterminer quelle sera la masse de tous les chromosomes dans une cellule fille et dans deux cellules filles formées après la mitose ?
Solution:

Ainsi, la masse totale de toutes les molécules d'ADN dans une cellule fille est de 1 10 9 mg (2C), et dans deux cellules filles, elle est de 2 10 9 mg (2C).

Problème 4
La masse totale de toutes les molécules d'ADN des 22 chromosomes d'une cellule somatique est de 3,10,9 mg (2C). Déterminer quelle sera la masse de tous les chromosomes dans une cellule fille et deux cellules filles formées après la méiose ?
Solution:

Problème 5
La masse totale de toutes les molécules d'ADN dans les 46 chromosomes d'une cellule somatique est de 6,10,9 mg (4C). Déterminer quelle sera la masse de tous les chromosomes dans une cellule fille et dans deux cellules filles formées après la méiose ?
Solution:


Ainsi, la masse totale de toutes les molécules d'ADN dans une cellule fille est de 1,5 10 9 mg (1C), dans deux cellules filles elle est de 3 10 9 mg (1C) et dans quatre cellules filles elle est de 6 10 9 mg (1C) .

Problème 6
La masse totale des 46 chromosomes d'une cellule somatique est de 6,10,9 mg (4c). Combien de chromosomes, de chromatides et d’ADN les spermatozoïdes auront-ils ? Dressez un schéma de la spermatogenèse, décrivez les étapes et les noms des cellules à chaque étape de formation.
Solution:

Ainsi, lors de la spermatogenèse chez l'homme, se forment des spermatozoïdes contenant 23 chromosomes, 23 chromatides, 1,5 10 9 mg d'ADN (1c).

Problème 7
Les cellules somatiques des chimpanzés possèdent 48 chromosomes et la masse d'ADN de toutes les cellules est de 8,10,9 mg (4 C). Déterminez le nombre de chromosomes, de chromatides et d'ADN dans l'œuf femelle. Dressez un schéma de l'ovogenèse, décrivez les étapes et les noms des cellules à chaque étape de formation.
Solution:

Ainsi, le nombre de chromosomes, de chromatides et d'ADN dans l'œuf femelle est de 22 heures, 22 heures, 2,10,9 mg (1C).

La molécule d'ADN est constituée de deux brins formant une double hélice. Sa structure a été déchiffrée pour la première fois par Francis Crick et James Watson en 1953.

Au début, la molécule d'ADN, constituée d'une paire de chaînes nucléotidiques enroulées l'une autour de l'autre, a suscité des questions sur la raison pour laquelle elle avait cette forme particulière. Les scientifiques appellent ce phénomène complémentarité, ce qui signifie que seuls certains nucléotides peuvent se trouver en face les uns des autres dans ses brins. Par exemple, l’adénine est toujours opposée à la thymine et la guanine est toujours opposée à la cytosine. Ces nucléotides de la molécule d'ADN sont dits complémentaires.

Schématiquement, cela se représente ainsi :

T-A

C-G

Ces paires forment une liaison nucléotidique chimique qui détermine l’ordre des acides aminés. Dans le premier cas, c'est un peu plus faible. La connexion entre C et G est plus forte. Les nucléotides non complémentaires ne forment pas de paires entre eux.


À propos du bâtiment

La structure de la molécule d’ADN est donc particulière. Il a cette forme pour une raison : le fait est que le nombre de nucléotides est très grand, et pour s'adapter longues chaînes il faut beaucoup d'espace. C'est pour cette raison que les chaînes se caractérisent par une torsion en spirale. Ce phénomène est appelé spiralisation, il permet aux fils de se raccourcir d'environ cinq à six fois.

L’organisme utilise très activement certaines molécules de ce type, d’autres rarement. Ces derniers, en plus de la spiralisation, subissent également un « emballage compact » tel que la superspiralisation. Et puis la longueur de la molécule d'ADN diminue de 25 à 30 fois.

Qu’est-ce que le « packaging » d’une molécule ?

Le processus de superenroulement implique des protéines histones. Ils ont la structure et l’apparence d’une bobine de fil ou d’une tige. Des fils spiralés y sont enroulés, qui sont immédiatement « emballés de manière compacte » et prennent peu de place. Lorsqu'il est nécessaire d'utiliser l'un ou l'autre fil, celui-ci est déroulé à partir d'une bobine, par exemple une protéine histone, et l'hélice se déroule en deux chaînes parallèles. Lorsque la molécule d’ADN est dans cet état, les données génétiques nécessaires peuvent y être lues. Il y a cependant une condition. L'obtention d'informations n'est possible que si la structure de la molécule d'ADN a une forme non tordue. Les chromosomes accessibles à la lecture sont appelés euchromatines, et s'ils sont superenroulés, alors ils sont déjà des hétérochromatines.

Acides nucléiques

Les acides nucléiques, comme les protéines, sont des biopolymères. La fonction principale est le stockage, la mise en œuvre et la transmission des informations héréditaires (génétiques). Il en existe deux types : l'ADN et l'ARN (désoxyribonucléique et ribonucléique). Les monomères qu'ils contiennent sont des nucléotides dont chacun contient un résidu d'acide phosphorique, un sucre à cinq carbones (désoxyribose/ribose) et une base azotée. Le code ADN comprend 4 types de nucléotides - adénine (A) / guanine (G) / cytosine (C) / thymine (T). Ils diffèrent par la base azotée qu'ils contiennent.

Dans une molécule d'ADN, le nombre de nucléotides peut être énorme - de plusieurs milliers à des dizaines et centaines de millions. De telles molécules géantes peuvent être vues à travers microscope électronique. Dans ce cas, vous pourrez voir une double chaîne de brins polynucléotidiques, qui sont reliés les uns aux autres par des liaisons hydrogène des bases azotées des nucléotides.

Recherche

Au cours de leurs recherches, les scientifiques ont découvert que les types de molécules d’ADN diffèrent selon les organismes vivants. Il a également été constaté que la guanine d'une chaîne ne peut se lier qu'à la cytosine et la thymine à l'adénine. La disposition des nucléotides dans une chaîne correspond strictement à celle parallèle. Grâce à cette complémentarité de polynucléotides, la molécule d'ADN est capable de se doubler et de s'auto-reproduire. Mais d'abord, les chaînes complémentaires, sous l'influence d'enzymes spéciales qui détruisent les nucléotides appariés, divergent, puis dans chacune d'elles commence la synthèse de la chaîne manquante. Cela se produit en raison de la disponibilité grandes quantités nucléotides libres dans chaque cellule. En conséquence, au lieu de la « molécule mère », deux « molécules filles » se forment, identiques en composition et en structure, et le code ADN devient celui d'origine. Ce processus est un précurseur de la division cellulaire. Il assure la transmission de toutes les données héréditaires des cellules mères aux cellules filles, ainsi qu’à toutes les générations suivantes.

Comment lire le code génétique ?

Aujourd'hui, non seulement la masse d'une molécule d'ADN est calculée, mais il est également possible de découvrir des données plus complexes qui étaient auparavant inaccessibles aux scientifiques. Par exemple, vous pouvez lire des informations sur la manière dont un organisme utilise sa propre cellule. Bien entendu, au début, ces informations sont codées et ont la forme d'une certaine matrice, et elles doivent donc être transportées vers un support spécial, qui est l'ARN. L'acide ribonucléique est capable de pénétrer dans la cellule à travers la membrane nucléaire et de lire les informations codées à l'intérieur. Ainsi, l'ARN est porteur de données cachées du noyau à la cellule, et il diffère de l'ADN en ce qu'il contient du ribose au lieu du désoxyribose et de l'uracile au lieu de la thymine. De plus, l’ARN est simple brin.

Synthèse d'ARN

Une analyse approfondie de l'ADN a montré qu'une fois que l'ARN a quitté le noyau, il pénètre dans le cytoplasme, où il peut être intégré sous forme de matrice dans les ribosomes (systèmes enzymatiques spéciaux). Guidés par les informations reçues, ils peuvent synthétiser la séquence appropriée d'acides aminés protéiques. À propos de quel type composé organique doit être attaché à la chaîne protéique en formation, le ribosome apprend du code triplet. Chaque acide aminé possède son propre triplet spécifique, qui le code.

Une fois la formation de la chaîne terminée, elle acquiert une forme spatiale spécifique et se transforme en une protéine capable de remplir ses fonctions hormonales, de construction, enzymatiques et autres. Pour tout organisme, il s’agit d’un produit génétique. C'est à partir de là que sont déterminées toutes sortes de qualités, propriétés et manifestations des gènes.

Gènes

Les processus de séquençage ont été principalement développés pour obtenir des informations sur le nombre de gènes qu'une molécule d'ADN possède dans sa structure. Et, même si les recherches ont permis aux scientifiques de faire de grands progrès en la matière, il n’est pas encore possible d’en connaître le nombre exact.

Il y a seulement quelques années, on supposait que les molécules d'ADN contenaient environ 100 000 gènes. Un peu plus tard, ce chiffre est tombé à 80 000 et, en 1998, les généticiens ont déclaré que seuls 50 000 gènes sont présents dans un ADN, ce qui ne représente que 3 % de la longueur totale de l'ADN. Mais les dernières conclusions des généticiens sont frappantes. Ils prétendent maintenant que le génome comprend 25 000 à 40 000 unités de ce type. Il s’avère que seulement 1,5 % de l’ADN chromosomique est responsable du codage des protéines.

Les recherches ne se sont pas arrêtées là. Une équipe parallèle de spécialistes du génie génétique a découvert que le nombre de gènes dans une molécule est exactement de 32 000. Comme vous pouvez le constater, il est encore impossible d’obtenir une réponse définitive. Il y a trop de contradictions. Tous les chercheurs se fient uniquement à leurs résultats.

Y a-t-il eu une évolution ?

Malgré le fait qu'il n'y ait aucune preuve de l'évolution de la molécule (la structure de la molécule d'ADN étant fragile et de petite taille), les scientifiques ont néanmoins émis une hypothèse. Sur la base des données de laboratoire, ils ont exprimé la version suivante : molécule sur stade initial Dès son apparition, il prenait la forme d’un simple peptide auto-réplicant, qui comprenait jusqu’à 32 acides aminés trouvés dans les anciens océans.

Après auto-réplication, grâce aux forces de sélection naturelle, les molécules ont acquis la capacité de se protéger de l'exposition éléments externes. Ils ont commencé à vivre plus longtemps et à se reproduire en plus grande quantité. Les molécules qui se retrouvaient dans la bulle lipidique avaient toutes les chances de se reproduire. À la suite d'une série de cycles successifs, les bulles lipidiques ont acquis la forme de membranes cellulaires, puis de particules bien connues. Il convient de noter qu'aujourd'hui, toute section d'une molécule d'ADN est une structure complexe et clairement fonctionnelle, dont les scientifiques n'ont pas encore complètement étudié toutes les caractéristiques.

Monde moderne

Récemment, des scientifiques israéliens ont développé un ordinateur capable d’effectuer des milliards d’opérations par seconde. Aujourd'hui, c'est la voiture la plus rapide du monde. Tout le secret réside dans le fait que cet appareil innovant est alimenté par l’ADN. Les professeurs affirment que dans un avenir proche, ces ordinateurs seront même capables de produire de l'énergie.

Il y a un an, des spécialistes de l'Institut Weizmann de Rehovot (Israël) annonçaient la création d'un ordinateur moléculaire programmable composé de molécules et d'enzymes. Ils ont remplacé les puces électroniques en silicium par celles-ci. À ce jour, l’équipe a encore progressé. Désormais, une seule molécule d’ADN peut fournir à un ordinateur les données et le carburant nécessaires.

Les « nanoordinateurs » biochimiques ne sont pas une fiction ; ils existent déjà dans la nature et se manifestent dans chaque créature vivante. Mais souvent, ils ne sont pas gérés par des personnes. Une personne ne peut pas encore opérer sur le génome d’une plante pour calculer, par exemple, le nombre « Pi ».

L’idée d’utiliser l’ADN pour stocker/traiter des données est venue à l’esprit des scientifiques en 1994. C'est alors que la solution est simple problème mathématique molécule était impliquée. Depuis, plusieurs groupes de recherche ont proposé divers projets liés aux ordinateurs à ADN. Mais ici, toutes les tentatives étaient basées uniquement sur la molécule énergétique. Vous ne pouvez pas voir un tel ordinateur à l'œil nu : il ressemble à une solution transparente d'eau dans un tube à essai. Il ne contient aucune pièce mécanique, mais seulement des milliards de dispositifs biomoléculaires - et ce, dans une seule goutte de liquide !

ADN humain

Les gens ont pris conscience du type d’ADN humain en 1953, lorsque les scientifiques ont pu pour la première fois démontrer au monde un modèle d’ADN double brin. Pour cela, Kirk et Watson ont reçu prix Nobel, puisque cette découverte est devenue fondamentale au XXe siècle.

Au fil du temps, bien sûr, ils ont prouvé qu'une molécule humaine structurée peut ressembler non seulement à la version proposée. Après avoir effectué une analyse ADN plus détaillée, ils ont découvert les formes A-, B- et gaucher Z-. La forme A- est souvent une exception, car elle ne se forme qu'en cas de manque d'humidité. Mais cela n'est possible qu'avec des études en laboratoire, car environnement naturel C’est anormal ; un tel processus ne peut pas se produire dans une cellule vivante.

La forme B est classique et est connue comme une chaîne double à droite, mais la forme Z n'est pas seulement torsadée direction inverse, vers la gauche, mais a également une apparence plus en zigzag. Les scientifiques ont également identifié la forme G-quadruplex. Sa structure ne comporte pas 2, mais 4 threads. Selon les généticiens, cette forme apparaît dans les zones où il y a un excès de guanine.

ADN artificiel

Aujourd’hui, il existe déjà de l’ADN artificiel, qui est une copie identique du réel ; il suit parfaitement la structure de la double hélice naturelle. Mais contrairement au polynucléotide original, le polynucléotide artificiel ne contient que deux nucléotides supplémentaires.

Puisque le doublage a été créé sur la base des informations obtenues lors diverses études véritable ADN, il peut alors également être copié, s'auto-répliquer et évoluer. Les experts travaillent à la création d’une telle molécule artificielle depuis environ 20 ans. Le résultat est une invention étonnante qui peut être utilisée code génétique tout comme l'ADN naturel.

Aux quatre bases azotées existantes, les généticiens en ont ajouté deux supplémentaires, créées par modification chimique de bases naturelles. Contrairement à l’ADN naturel, l’ADN artificiel s’est avéré assez court. Il ne contient que 81 paires de bases. Cependant, il se reproduit et évolue également.

La réplication d'une molécule obtenue artificiellement s'effectue grâce à la polymérase réaction en chaîne, mais jusqu'à présent, cela ne se produit pas de manière indépendante, mais grâce à l'intervention de scientifiques. Ils ajoutent indépendamment les enzymes nécessaires audit ADN, en le plaçant dans un milieu liquide spécialement préparé.

Résultat final

Le processus et le résultat final du développement de l'ADN peuvent être influencés par divers facteurs, comme les mutations. Cela nécessite d'étudier des échantillons de matière afin que le résultat de l'analyse soit fiable et fiable. Un exemple est un test de paternité. Mais on ne peut s’empêcher de se réjouir que les incidents tels que les mutations soient rares. Néanmoins, les échantillons de matière sont toujours revérifiés afin d'obtenir des informations plus précises basées sur l'analyse.

ADN végétal

Grâce aux technologies de séquençage élevé (HTS), une révolution a été réalisée dans le domaine de la génomique : l'extraction de l'ADN des plantes est également possible. Bien sûr, en venant de matériel végétal Poids moléculaire de l'ADN Haute qualité pose quelques difficultés dues à un grand nombre des copies de mitochondries et d'ADN chloroplastique, ainsi que haut niveau polysaccharides et composés phénoliques. Pour isoler la structure que nous considérons dans ce cas, diverses méthodes sont utilisées.

Liaison hydrogène dans l'ADN

La liaison hydrogène dans la molécule d’ADN est responsable de l’attraction électromagnétique créée entre un atome d’hydrogène chargé positivement et attaché à un atome électronégatif. Cette interaction dipolaire ne répond pas au critère liaison chimique. Mais cela peut avoir lieu de manière intermoléculaire ou dans diverses pièces molécules, c'est-à-dire intramoléculaires.

Un atome d'hydrogène s'attache à l'atome électronégatif qui est le donneur de la liaison. Un atome électronégatif peut être de l’azote, du fluor ou de l’oxygène. Grâce à la décentralisation, il attire le nuage d'électrons du noyau d'hydrogène vers lui et rend l'atome d'hydrogène (partiellement) chargé positivement. Puisque la taille de H est petite par rapport à celle des autres molécules et atomes, la charge est également petite.

Décodage de l'ADN

Avant de déchiffrer une molécule d’ADN, les scientifiques prélèvent d’abord un grand nombre de cellules. Pour le plus précis et travail réussi il en faudrait environ un million. Les résultats obtenus au cours de l'étude sont constamment comparés et enregistrés. Aujourd’hui, le décodage du génome n’est plus une rareté, mais une procédure accessible.

Bien entendu, déchiffrer le génome d’une seule cellule est un exercice peu pratique. Les données obtenues lors de telles études n'intéressent pas les scientifiques. Mais il est important de comprendre que toutes les méthodes de décodage actuellement existantes, malgré leur complexité, ne sont pas assez efficaces. Ils ne permettront de lire que 40 à 70 % de l’ADN.

Cependant, des professeurs de Harvard ont récemment annoncé une méthode permettant de déchiffrer 90 % du génome. La technique est basée sur l'ajout de molécules d'amorce aux cellules isolées, à l'aide desquelles la réplication de l'ADN commence. Mais même cette méthode ne peut pas être considérée comme un succès ; elle doit encore être affinée avant de pouvoir être ouvertement utilisée en science.

Exercice:
La masse totale de toutes les molécules d'ADN contenues dans les 46 chromosomes d'une cellule somatique humaine est d'environ 6 x 10-9 mg. Déterminer la masse de toutes les molécules d'ADN dans le noyau pendant l'ovogenèse avant le début de la méiose, dans la prophase de la méiose I et de la méiose II. Expliquez vos résultats.

Répondre:
Avant le début de la méiose, les chromosomes doublent, la masse totale d'ADN devient 12x10-9 mg.

En prophase de la méiose I, aucun changement dans le nombre de chromosomes ne s'est encore produit ; il reste 12x10-9 mg.

Au cours de la première division de la méiose, le nombre de chromosomes a diminué de 2 fois. Par conséquent, dans la prophase de la méiose II, il y a 6x10-9 mg d'ADN.

Discussion:

Dmitri Pozdniakov : Je ne comprends pas le premier mouvement. Pourquoi la « masse totale de toutes les molécules d’ADN » signifie-t-elle 46 chromosomes simples, et non 46 chromosomes doubles ? - Ceci n'est en aucun cas écrit. Personnellement, j'ai commis une erreur en accomplissant cette tâche : j'ai obtenu 6, 6 et 3.

Anastasie : Dans l'interphase entre les divisions, chaque chromosome est constitué d'un fil de chromatine, c'est-à-dire 2n2c (où n est le nombre de chromosomes, c est le nombre de fils de chromatine). Immédiatement avant la méiose, la duplication se produit - 2n4c, c'est-à-dire que chaque chromosome est constitué de deux brins de chromatine. Dans la prophase I, le rapport est maintenu - 2n4c, et après la première division, le nombre de chromosomes diminue et un chromosome est constitué de deux brins - n2c, après la deuxième division nc reste, c'est-à-dire un chromosome - un brin.

Selon le monosaccharide contenu dans l'unité structurelle du polynucléotide - ribose ou 2-désoxyribose, distinguer

  • acides ribonucléiques(ARN) et
  • acides désoxyribonucléiques(ADN).
La chaîne principale (sucre-phosphate) de l'ARN comprend des résidus ribose, et dans l'ADN 2-désoxyribose.
Les unités nucléotidiques des macromolécules d'ADN peuvent contenir adénine, guanine, cytosine Et thymine. La composition de l'ARN diffère en ce sens qu'au lieu de Timina présent uracile.

Le poids moléculaire de l'ADN atteint des dizaines de millions d'amu. Ce sont les macromolécules connues les plus anciennes. Le poids moléculaire de l'ARN est nettement inférieur (de plusieurs centaines à des dizaines de milliers). L'ADN est contenu principalement dans les noyaux des cellules, l'ARN dans les ribosomes et le protoplasme des cellules.

Lors de la description de la structure acides nucléiques prendre en compte différents niveaux d'organisation des macromolécules : primaire Et secondaire structure.

  • Structure primaire acides nucléiques il s'agit de la composition nucléotidique et d'une certaine séquence d'unités nucléotidiques dans la chaîne polymère.
Par exemple:

En notation abrégée à une lettre, cette structure s'écrit ...– A – G – C –...

  • Sous structure secondaire Les acides nucléiques comprennent les formes spatialement ordonnées des chaînes polynucléotidiques.
Structure secondaire de l'ADN représente deux chaînes polynucléotidiques parallèles non ramifiées tordues autour d’un axe commun en une double hélice.

Cette structure spatiale est maintenue ensemble par de nombreuses liaisons hydrogène formées bases azotées, dirigé à l’intérieur de la spirale. Des liaisons hydrogène se produisent entre la base purique d’une chaîne et la base pyrimidine d’une autre chaîne. Ces bases forment des paires complémentaires (de lat. complémentum- ajout). La formation de liaisons hydrogène entre paires de bases complémentaires est due à leur correspondance spatiale. Une base pyrimidique est complémentaire d’une base purique :


Les liaisons hydrogène entre d’autres paires de bases les empêchent de s’insérer dans la structure en double hélice. Ainsi,

  • La THYMINE (T) est complémentaire de l'ADENINE (A),
  • La CYTOSINE (C) est complémentaire de la GUANINE (G).
La complémentarité de base détermine complémentarité de la chaîne dans les molécules d'ADN.


La complémentarité des chaînes polynucléotidiques sert de base chimique fonction principale Stockage de l'ADN et transmission des caractères héréditaires.
La capacité de l’ADN non seulement à stocker, mais aussi à utiliser information génétique est déterminé par ses propriétés suivantes :

  • Les molécules d'ADN sont capables de se répliquer (doubler), c'est-à-dire peut permettre de synthétiser d'autres molécules d'ADN identiques à celles d'origine, puisque la séquence de bases dans l'un des brins de la double hélice contrôle leur localisation dans l'autre brin (voir figure ou).

  • Les molécules d'ADN peuvent diriger de manière très précise et spécifique la synthèse de protéines spécifiques aux organismes d'une espèce donnée.

  • Structure secondaire de l'ARN. Contrairement à l'ADN, les molécules d'ARN sont constituées d'une seule chaîne polynucléotidique et n'ont pas de forme spatiale strictement définie (la structure secondaire de l'ARN dépend de leurs fonctions biologiques).
    Le rôle principal de l’ARN est sa participation directe à la biosynthèse des protéines. On connaît trois types d'ARN cellulaires, qui diffèrent par leur emplacement dans la cellule, leur composition, leur taille et leurs propriétés qui déterminent leur rôle spécifique dans la formation des macromolécules protéiques :
    • Les ARN messagers transmettent des informations sur la structure de la protéine codée dans l'ADN du noyau cellulaire aux ribosomes, où se produit la synthèse des protéines ;
    • les ARN de transfert collectent les acides aminés dans le cytoplasme cellulaire et les transfèrent au ribosome ; Les molécules d'ARN de ce type « apprennent » à partir des sections correspondantes de la chaîne d'ARN messager quels acides aminés doivent participer à la synthèse des protéines ;
    • Les ARN ribosomiques assurent la synthèse d'une protéine d'une certaine structure en lisant les informations de l'ARN messager.