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2:E : Structures des acides nucléiques (Exercices) - Biologie

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2:E : Structures des acides nucléiques (Exercices)

22.2 Structure des procaryotes : bactéries et archées

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire la structure de base d'un procaryote typique
  • Décrire les différences importantes de structure entre les archées et les bactéries

Il existe de nombreuses différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes. Le nom « procaryote » suggère que les procaryotes sont définis par exclusion - ce ne sont pas des eucaryotes, ou des organismes dont les cellules contiennent un noyau et d'autres organites liés à la membrane interne. Cependant, toutes les cellules ont quatre structures communes : la membrane plasmique, qui fonctionne comme une barrière pour la cellule et sépare la cellule de son environnement le cytoplasme, une solution complexe de molécules organiques et de sels à l'intérieur de la cellule un génome d'ADN double brin, le archive d'information de la cellule et des ribosomes, où a lieu la synthèse des protéines. Les procaryotes se présentent sous diverses formes, mais beaucoup se répartissent en trois catégories : coques (sphérique), bacilles (en forme de tige), et spirilles (en forme de spirale) (Figure 22.9).

La cellule procaryote

Rappelons que les procaryotes sont des organismes unicellulaires dépourvus d'organites liées à la membrane ou d'autres structures internes liées à la membrane (Figure 22.10). Leur chromosome, généralement simple, consiste en un morceau d'ADN circulaire à double brin situé dans une zone de la cellule appelée nucléoïde. La plupart des procaryotes ont une paroi cellulaire à l'extérieur de la membrane plasmique. La paroi cellulaire fonctionne comme une couche protectrice et est responsable de la forme de l'organisme. Certaines espèces bactériennes ont une capsule à l'extérieur de la paroi cellulaire. La capsule permet à l'organisme de se fixer aux surfaces, le protège de la déshydratation et des attaques des cellules phagocytaires et rend les agents pathogènes plus résistants à nos réponses immunitaires. Certaines espèces ont également des flagelles (singulier, flagelle) utilisés pour la locomotion, et des pili (singulier, pilus) utilisés pour la fixation aux surfaces, y compris les surfaces d'autres cellules. Les plasmides, qui sont constitués d'ADN extra-chromosomique, sont également présents dans de nombreuses espèces de bactéries et d'archées.

Rappelons que les procaryotes sont divisés en deux domaines différents, les bactéries et les archées, qui, avec Eucarya, comprennent les trois domaines de la vie (Figure 22.11).

Les caractéristiques des embranchements bactériens sont décrites dans les figures 22.12 et 22.13. Les principaux phylums bactériens comprennent les protéobactéries, les chlamydias, les spirochètes, les cyanobactéries photosynthétiques et les bactéries à Gram positif. Les protéobactéries sont à leur tour subdivisées en plusieurs classes, des protéobactéries Alpha aux Epsilon. On pense que les mitochondries eucaryotes sont les descendants des alphaprotéobactéries, tandis que les chloroplastes eucaryotes sont dérivés des cyanobactéries. Les phylums d'archées sont décrits à la figure 22.14.

La membrane plasmique des procaryotes

La membrane plasmique procaryote est une fine bicouche lipidique (6 à 8 nanomètres) qui entoure complètement la cellule et sépare l'intérieur de l'extérieur. Sa nature sélectivement perméable maintient les ions, les protéines et d'autres molécules à l'intérieur de la cellule et les empêche de se diffuser dans l'environnement extracellulaire, tandis que d'autres molécules peuvent se déplacer à travers la membrane. Rappelons que la structure générale d'une membrane cellulaire est une bicouche phospholipidique composée de deux couches de molécules lipidiques. Dans les membranes cellulaires des archées, chaînes isoprène (phytanyl) liés au glycérol remplacent les acides gras liés au glycérol dans les membranes bactériennes. Certaines membranes archéennes sont des monocouches lipidiques au lieu de bicouches (Figure 22.15).

La paroi cellulaire des procaryotes

Le cytoplasme des cellules procaryotes a une concentration élevée de solutés dissous. Par conséquent, la pression osmotique à l'intérieur de la cellule est relativement élevée. La paroi cellulaire est une couche protectrice qui entoure certaines cellules et leur donne forme et rigidité. Il est situé à l'extérieur de la membrane cellulaire et empêche lyse osmotique (éclatement dû à l'augmentation du volume). La composition chimique de la paroi cellulaire varie entre les archées et les bactéries, et varie également entre les espèces bactériennes.

Les parois cellulaires bactériennes contiennent du peptidoglycane, composé de chaînes polysaccharidiques réticulées par des peptides inhabituels contenant à la fois des acides aminés L et D, notamment l'acide D-glutamique et la D-alanine. (Par conséquent, les protéines n'ont normalement que des acides aminés L, beaucoup de nos antibiotiques agissent en imitant les acides aminés D et ont donc des effets spécifiques sur le développement de la paroi cellulaire bactérienne.) Il existe plus de 100 formes différentes de peptidoglycane. Protéines de la couche S (couche de surface) sont également présents à l'extérieur des parois cellulaires des archées et des bactéries.

Les bactéries sont divisées en deux grands groupes : Gram positif et Gram négatif , sur la base de leur réaction à la coloration de Gram. Notez que toutes les bactéries Gram-positives appartiennent à un phylum. Les bactéries de l'autre phylum (Protéobactéries, Chlamydias, Spirochetes, Cyanobactéries et autres) sont Gram-négatives. La méthode de coloration de Gram doit son nom à son inventeur, le scientifique danois Hans Christian Gram (1853-1938). Les différentes réponses bactériennes à la procédure de coloration sont finalement dues à la structure de la paroi cellulaire. Les organismes Gram-positifs n'ont généralement pas la membrane externe trouvée dans les organismes Gram-négatifs (Illustration 22.16). Jusqu'à 90 % de la paroi cellulaire des bactéries à Gram positif est composée de peptidoglycane, et la plupart du reste est composé de substances acides appelées acides teichoïques. Les acides téichoïques peuvent être liés de manière covalente aux lipides de la membrane plasmique pour former acides lipotéichoïques. Les acides lipotéichoïques ancrent la paroi cellulaire à la membrane cellulaire. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire relativement mince composée de quelques couches de peptidoglycane (seulement 10 pour cent de la paroi cellulaire totale), entourée d'une enveloppe externe contenant des lipopolysaccharides (LPS) et des lipoprotéines. Cette enveloppe externe est parfois appelée deuxième bicouche lipidique. La chimie de cette enveloppe externe est cependant très différente de celle de la bicouche lipidique typique qui forme les membranes plasmiques.

Connexion visuelle

Laquelle des affirmations suivantes est vraie?

  1. Les bactéries à Gram positif ont une seule paroi cellulaire ancrée à la membrane cellulaire par l'acide lipotéichoïque.
  2. Les porines permettent l'entrée de substances dans les bactéries Gram-positives et Gram-négatives.
  3. La paroi cellulaire des bactéries Gram-négatives est épaisse et la paroi cellulaire des bactéries Gram-positives est mince.
  4. Les bactéries Gram-négatives ont une paroi cellulaire en peptidoglycane, tandis que les bactéries Gram-positives ont une paroi cellulaire en acide lipotéichoïque.

Les parois cellulaires archéennes n'ont pas de peptidoglycane. Il existe quatre types différents de parois cellulaires archéennes. Un type est composé de pseudopeptidoglycane, qui est similaire au peptidoglycane en morphologie mais contient des sucres différents dans la chaîne polysaccharidique. Les trois autres types de parois cellulaires sont composés de polysaccharides, de glycoprotéines ou de protéines pures. D'autres différences entre les bactéries et les archées sont présentées dans le tableau 22.2. Notez que les caractéristiques liées à la réplication, à la transcription et à la traduction de l'ADN chez les archées sont similaires à celles observées chez les eucaryotes.

Caractéristique structurelle Bactéries Archées
Type de cellule Procaryote Procaryote
Morphologie cellulaire Variable Variable
Paroi cellulaire Contient du peptidoglycane Ne contient pas de peptidoglycane
Type de membrane cellulaire Bicouche lipidique Bicouche lipidique ou monocouche lipidique
Lipides de la membrane plasmique Ester d'acides gras-glycérol Ethers de phytanylglycérol
Chromosome Typiquement circulaire Typiquement circulaire
Origines de réplication Seul Plusieurs
ARN polymérase Seul Plusieurs
ARNt initiateur Formyl-méthionine Méthionine
Inhibition de la streptomycine Sensible Résistant
cycle de Calvin Oui Non

La reproduction

La reproduction chez les procaryotes est asexué et se produit généralement par fission binaire. (Rappelez-vous que l'ADN d'un procaryote est un seul chromosome circulaire.) Les procaryotes ne subissent pas de mitose à la place, le chromosome est répliqué et les deux copies résultantes se séparent l'une de l'autre, en raison de la croissance de la cellule. Le procaryote, maintenant agrandi, est pincé vers l'intérieur à son équateur et les deux cellules résultantes, qui sont cloner, séparé. La fission binaire n'offre pas de possibilité de recombinaison génétique ou de diversité génétique, mais les procaryotes peuvent partager des gènes par trois autres mécanismes.

En transformation, le procaryote absorbe l'ADN libéré par d'autres procaryotes dans son environnement. Si une bactérie non pathogène absorbe l'ADN d'un gène de toxine d'un agent pathogène et incorpore le nouvel ADN dans son propre chromosome, elle aussi peut devenir pathogène. Lors de la transduction, les bactériophages, les virus qui infectent les bactéries, peuvent déplacer de courts morceaux d'ADN chromosomique d'une bactérie à une autre. La transduction entraîne une organisme recombinant. Les archées ont également des virus qui peuvent transférer du matériel génétique d'un individu à un autre. Dans la conjugaison , l' ADN est transféré d' un procaryote à un autre au moyen d' un pilus, qui met les organismes en contact les uns avec les autres, et fournit un canal pour le transfert de l'ADN. L'ADN transféré peut être sous la forme d'un plasmide ou d'une molécule composite, contenant à la fois de l'ADN plasmidique et chromosomique. Ces trois processus d'échange d'ADN sont illustrés à la figure 22.17.

La reproduction peut être très rapide : quelques minutes pour certaines espèces. Ce temps de génération court, associé à des mécanismes de recombinaison génétique et à des taux élevés de mutation, entraîne une évolution rapide des procaryotes, leur permettant de répondre très rapidement aux changements environnementaux (comme l'introduction d'un antibiotique).

Connexion Évolution

L'évolution des procaryotes

Comment les scientifiques répondent-ils aux questions sur l'évolution des procaryotes ? Contrairement aux animaux, les artefacts des archives fossiles des procaryotes offrent très peu d'informations. Les fossiles d'anciens procaryotes ressemblent à de minuscules bulles dans la roche. Certains scientifiques se tournent vers la génétique et le principe de l'horloge moléculaire, selon lequel plus deux espèces ont divergé récemment, plus leurs gènes (et donc leurs protéines) seront similaires. Inversement, les espèces qui ont divergé il y a longtemps auront plus de gènes dissemblables.

Des scientifiques de l'Institut d'astrobiologie de la NASA et du Laboratoire européen de biologie moléculaire ont collaboré pour analyser l'évolution moléculaire de 32 protéines spécifiques communes à 72 espèces de procaryotes. 2 Le modèle qu'ils ont dérivé de leurs données indique que trois groupes importants de bactéries—Actinobactéries, Déinocoque, et les cyanobactéries (collectivement appelées Terrabactéries par les auteurs) - ont été les premiers à coloniser la terre. Les actinobactéries sont un groupe de bactéries Gram-positives très courantes qui produisent des structures ramifiées comme des mycéliums fongiques, et comprennent des espèces importantes dans la décomposition des déchets organiques. Vous vous souviendrez que Déinocoque est un genre de bactérie très résistante aux rayonnements ionisants. Il a une couche épaisse de peptidoglycane en plus d'une deuxième membrane externe, il présente donc des caractéristiques à la fois de bactéries Gram-positives et Gram-négatives.

Les cyanobactéries sont des photosynthétiseurs, et étaient probablement responsables de la production d'oxygène sur la terre antique. Les chronologies de divergence suggèrent que les bactéries (membres du domaine Bactéries) ont divergé des espèces ancestrales communes entre 2,5 et 3,2 milliards d'années, alors que les Archées ont divergé plus tôt : entre 3,1 et 4,1 milliards d'années. Eukarya a divergé plus tard de la ligne archéenne. Les travaux suggèrent en outre que les stromatolites qui se sont formées avant l'avènement des cyanobactéries (il y a environ 2,6 milliards d'années) ont fait de la photosynthèse dans un environnement anoxique et qu'en raison des modifications des Terrabactéries pour la terre (résistance au dessèchement et possession de composés qui protègent l'organisme de l'excès de lumière), la photosynthèse utilisant l'oxygène peut être étroitement liée aux adaptations pour survivre sur terre.


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Structure secondaire de l'ADN

La structure tridimensionnelle de l'ADN a fait l'objet d'un effort de recherche intensif de la fin des années 40 au début des années 50. Les premiers travaux ont révélé que le polymère avait une structure répétitive régulière. En 1950, Erwin Chargaff de l'Université Columbia montra que la quantité molaire d'adénine (A) dans l'ADN était toujours égale à celle de la thymine (T). De même, il a montré que la quantité molaire de guanine (G) était la même que celle de cytosine (C). Chargaff n'a tiré aucune conclusion de son travail, mais d'autres l'ont bientôt fait.

À l'université de Cambridge en 1953, James D. Watson et Francis Crick ont ​​annoncé qu'ils disposaient d'un modèle pour la structure secondaire de l'ADN. En utilisant les informations des expériences de Chargaff (ainsi que d'autres expériences) et les données des études aux rayons X de Rosalind Franklin (qui impliquaient une chimie, une physique et des mathématiques sophistiquées), Watson et Crick ont ​​travaillé avec des modèles qui n'étaient pas sans rappeler un jeu de construction pour enfants et a finalement conclu que l'ADN est composé de deux chaînes d'acides nucléiques antiparallèles l'une à l'autre, c'est-à-dire côte à côte avec l'extrémité 5&prime d'une chaîne à côté de l'extrémité 3&prime de l'autre. De plus, comme leur modèle l'a montré, les deux chaînes sont torsadées pour former une structure à double hélice et mdasha qui peut être comparée à un escalier en colimaçon, les groupes phosphate et sucre (l'épine dorsale du polymère d'acide nucléique) représentant les bords extérieurs de l'escalier . Les bases puriques et pyrimidiques font face à l'intérieur de l'hélice, la guanine étant toujours opposée à la cytosine et l'adénine toujours opposée à la thymine. Ces paires de bases spécifiques, appelées bases complémentaires , sont les marches, ou marches, dans notre analogie en escalier (Figure (PageIndex<2>)).

Figure (PageIndex<2>) Double hélice d'ADN. (a) Cela représente un modèle généré par ordinateur de la double hélice d'ADN. (b) Ceci représente une représentation schématique de la double hélice, montrant les bases complémentaires.

La structure proposée par Watson et Crick a fourni des indices sur les mécanismes par lesquels les cellules sont capables de se diviser en deux cellules filles fonctionnelles identiques, comment les données génétiques sont transmises aux nouvelles générations et même comment les protéines sont construites selon les spécifications requises. Toutes ces capacités dépendent de l'appariement de bases complémentaires. La figure (PageIndex<3>) montre les deux ensembles de paires de bases et illustre deux choses. Tout d'abord, une pyrimidine est appariée avec une purine dans chaque cas, de sorte que les dimensions longues des deux paires sont identiques (1,08 nm).

Figure (PageIndex<3>) Appariement de base complémentaire. Les bases complémentaires s'engagent dans des liaisons hydrogène entre elles : (a) thymine et adénine (b) cytosine et guanine.

Si deux pyrimidines étaient appariées ou si deux purines étaient appariées, les deux pyrimidines prendraient moins de place qu'une purine et une pyrimidine, et les deux purines prendraient plus de place, comme illustré sur la figure (PageIndex<4>). Si ces appariements devaient se produire, la structure de l'ADN ressemblerait à un escalier composé d'escaliers de différentes largeurs. Pour que les deux brins de la double hélice s'emboîtent parfaitement, une pyrimidine doit toujours être associée à une purine. La deuxième chose que vous devriez remarquer dans la figure (PageIndex<3>) est que l'appariement correct permet la formation de trois instances de liaison hydrogène entre la guanine et la cytosine et deux entre l'adénine et la thymine. La contribution additive de cette liaison hydrogène confère une grande stabilité à la double hélice d'ADN.

Figure (PageIndex<4>) Différence dans les largeurs des paires de bases possibles


2:E : Structures des acides nucléiques (Exercices) - Biologie

a Frontier Institute for Biomolecular Engineering Research (FIBER), Université de Konan, 17-1-20 Minatojima-minamimachi, Kobe, Japon
E-mail: [email protected]

b Graduate School of Frontiers of Innovative Research in Science and Technology (FIRST), Université de Konan, 17-1-20 Minatojima-minamimachi, Kobe, Japon

Résumé

L'ADN forme non seulement la structure duplex canonique, mais également des structures non canoniques. La plupart des séquences potentielles qui induisent la formation de structures non canoniques sont présentes dans les gènes liés à la maladie. Fait intéressant, les réactions biologiques sont inhibées ou dérégulées par la formation de structures non canoniques dans les gènes liés à la maladie. Pour contrôler les réactions biologiques, des méthodes pour induire la formation de structures non canoniques ont été développées à l'aide de petites molécules et d'oligonucléotides. Dans cet article de fond, nous passons en revue les réactions biologiques telles que la réplication, la transcription et la transcription inverse contrôlées par des structures d'ADN non canoniques formées par des gènes liés à la maladie. De plus, nous discutons des études récentes visant à développer des méthodes de régulation de ces réactions biologiques à l'aide de médicaments ciblant la structure de l'ADN.


La structure et l'importance des acides nucléiques

L'ADN et l'ARN, les acides nucléiques, sont les molécules responsables de l'information héréditaire qui contrôle la synthèse des protéines dans les organismes vivants. Le nom « nucléiques » vient du fait qu'ils ont été découverts (par le biochimiste suisse Friedrich Miescher, en 1869) à l'intérieur du noyau cellulaire. À l'époque, on ne savait pas que ces substances contenaient des informations héréditaires.

Structure des acides nucléiques

Plus de questions-réponses ci-dessous

2. Quelles unités composent les acides nucléiques ? Quels sont les composés chimiques qui composent ces unités ?

Les acides nucléiques sont formés par des séquences de nucléotides.

Les nucléotides sont composés d'une molécule de sucre (désoxyribose dans l'ADN et ribose dans l'ARN) liée à une molécule de phosphate et à une base azotée (adénine, uracile, cytosine ou guanine, dans l'ARN et l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine, dans ADN).

3. Que sont les pentoses ? A quel groupe organique appartiennent les pentoses ? Les nucléotides sont-ils formés d'un seul type de pentose ?

Les pentoses sont des glucides constitués de cinq carbones. Le désoxyribose est le pentose qui compose les nucléotides de l'ADN et le ribose est le pentose contenu dans les nucléotides de l'ARN.

4. Dans quels deux groupes peut-on classer les bases azotées qui forment l'ADN et l'ARN ? Quel est le critère utilisé dans cette classification?

Les bases azotées qui forment l'ADN et l'ARN sont classées en bases pyrimidiques et puriques.

Par l'analyse des formules structurales de ces bases azotées, il est possible de voir que trois d'entre elles, la cytosine, la thymine et l'uracile, n'ont qu'un seul cycle carboné azoté. Les autres, l'adénine et la guanine, ont deux cycles carbonés liés azotés.

5. Quelle est la différence entre l'ADN et l'ARN du point de vue des bases azotées présentes dans leurs nucléotides ?

Dans l'ADN, les nucléotides peuvent être constitués d'adénine (A), de thymine (T), de cytosine (C) ou de guanine (G). Dans l'ARN, les nucléotides peuvent également contenir de l'adénine (A), de la cytosine (C) ou de la guanine (G) cependant, au lieu de la thymine (T), ils contiennent de l'uracile (U).

6. Quelles parties des nucléotides se lient pour former des acides nucléiques ? Que signifient les extrémités 5' et 3' des acides nucléiques ?

Le groupe phosphate d'un nucléotide se lie au pentose de l'autre nucléotide et ainsi de suite pour former la chaîne polynucléotidique.

Chaque extrémité d'une chaîne d'ADN ou d'ARN peut être distinguée de l'autre extrémité par son entité chimique terminale. L'extrémité à extrémité phosphate est appelée extrémité 5' et l'extrémité à extrémité pentose est appelée extrémité 3'. Par conséquent, les chaînes d'ADN ou d'ARN peuvent avoir une direction 5'-3' ou 3'-5'. Ces directions sont importantes pour plusieurs fonctions biologiques de l'ADN et de l'ARN, car certaines réactions se produisent spécifiquement dans un sens ou dans l'autre.

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Où trouver de l'ADN dans les cellules

7. Les bactéries sont des cellules procaryotes, ce qui signifie qu'elles n'ont pas de noyau enfermé dans une membrane. Les eucaryotes ont des cellules avec un noyau fermé. Où peut-on trouver de l'ADN dans ces types de cellules ?

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN se trouve dans le noyau cellulaire. Dans les cellules procaryotes, l'ADN se trouve dispersé dans le cytosol, l'espace fluide à l'intérieur de la cellule.

D'autres molécules d'ADN peuvent également être trouvées dans les mitochondries et les chloroplastes, des organites spécialisés des cellules eucaryotes.

Le modèle Watson-Crick de l'ADN

8. Qui étaient James Watson, Francis Crick et Maurice Wilkins ?

Watson (américain), Crick (britannique) et Wilkins (néo-zélandais) sont à l'origine de la découverte de la structure moléculaire de l'ADN, la double hélice constituée de deux chaînes polynucléotidiques appariées par leurs bases azotées. Ils ont remporté le prix Nobel de médecine en 1962 pour cette découverte.

9. Selon le modèle Watson-Crick, combien de chaînes polynucléotidiques possède une molécule d'ADN ?

Une molécule d'ADN est formée de deux chaînes polynucléotidiques liées en mode antiparallèle (5'-3' à 3'-5') et qui forment une structure en hélice.

10. Quelle est la règle d'appariement des bases azotées au sein de la molécule d'ADN ? Qu'en est-il des molécules d'ARN ? Cette dernière question est-elle pertinente ?

La règle d'appariement des bases azotées des chaînes polynucléotidiques qui forment les molécules d'ADN est que la base pyrimidique se lie à la base purique, à condition que la thymine (T) se lie à l'adénine (A) et que la cytosine (C) se lie à la guanine (G ).

Dans l'ARN, il n'y a pas de liaison entre les bases azotées. C'est parce que l'ARN est formé d'une seule chaîne polynucléotidique, par opposition à l'ADN, qui est formé de deux chaînes. Il n'est donc pas correct de se poser des questions sur l'appariement des bases dans l'ARN.

11. Quelle est la relation numérique entre les bases pyrimidiques et puriques dans les molécules d'ADN ? Est-ce valable pour les molécules d'ARN ?

Les molécules d'ADN sont constituées de deux chaînes polynucléotidiques liées qui forment une structure en hélice (la double hélice). La liaison des deux chaînes se fait entre leurs bases azotées et obéit toujours aux règles suivantes : l'adénine (A), une base purique, se lie à la thymine (T), une base pyrimidique et la guanine (G), une base purique, se lie à la cytosine (C), une base pyrimidique. Par conséquent, dans une molécule d'ADN, il y aura le même nombre de bases adénine (A) et thymine (T) et le même nombre de bases cytosine (C) et guanine (G). De ce fait, les quantités de bases puriques et pyrimidiques seront également les mêmes, avec une proportion de 50 % pour chaque type. La règle A = T et C = G, ou A/T = C/G = 1, est appelée la règle de Chargaff, avec les règles d'appariement décrites ci-dessus.

Dans l'ARN, il n'y a qu'une seule chaîne nucléotidique. L'ARN est une molécule à chaîne simple et, par conséquent, il n'y a pas besoin des proportions des bases azotées qui le composent.

12. Quel type de liaison chimique maintient l'appariement de chaque chaîne dans la molécule d'ADN ?

Pour former la molécule d'ADN, les bases puriques se lient aux bases pyrimidiques via des liaisons intermoléculaires appelées liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène se produisent lorsqu'il y a un atome d'hydrogène à proximité de l'un des éléments électronégatifs suivants : fluor, oxygène ou azote.

Dans de telles conditions, l'hydrogène semble avoir perdu des électrons au profit de ces éléments et une très forte polarisation est créée. L'atome d'hydrogène hautement positif attire des paires d'électrons d'autres molécules, créant une liaison hydrogène.

13. Quelle est la séquence complémentaire de bases azotées pour un fragment AGCCGTTAAC d'une chaîne d'ADN ?

Réplication de l'ADN

14. Quel est le nom du processus de duplication d'ADN ? Quelle est la principale enzyme qui y est impliquée ?

Le processus de copie ou de duplication de molécules d'ADN est appelé réplication. L'enzyme impliquée dans la formation d'une nouvelle chaîne d'ADN est l'ADN polymérase. Il existe également d'autres enzymes importantes dans le processus de réplication, telles que l'hélicase, la gyrase et la ligase.

15. Pourquoi l'affirmation selon laquelle l'ADN s'auto-réplique est-elle incorrecte ?

L'ADN n'est pas complètement autonome dans son processus de réplication car la réplication ne se produit pas sans activité enzymatique. Par conséquent, il n'est pas tout à fait correct de prétendre que l'ADN s'auto-réplique.

16. Comment les deux chaînes nucléotidiques complémentaires de l'ADN facilitent-elles le processus de réplication de la molécule ?

Le fait que la molécule d'ADN soit constituée de deux chaînes polynucléotidiques dont les bases azotées forment des liaisons hydrogène facilite la réplication de la molécule. Lors de la réplication de l'ADN, la liaison entre les deux chaînes est rompue et chacune d'elles sert de matrice pour la formation d'une nouvelle séquence nucléotidique le long de celle-ci, à l'aide de l'enzyme ADN polymérase et en obéissant à la règle d'appariement A-T, C-G. A la fin du processus, deux doubles hélices d'ADN sont produites, chacune constituée d'une chaîne matrice originale et d'une nouvelle chaîne polynucléotidique synthétisée.

17. Quelles liaisons chimiques dans les molécules d'ADN doivent être rompues pour que la réplication se produise ?

Au cours du processus de réplication de l'ADN, les liaisons hydrogène entre les bases azotées des chaînes polynucléotidiques sont rompues.

18. À la suite de la réplication de l'ADN, deux molécules d'ADN apparaissent. Pourquoi n'est-il pas correct de prétendre que deux « nouvelles » molécules d'ADN sont créées ? Quel est le nom donné à cela ?

Lors de la réplication, chaque chaîne de la molécule d'ADN agit en appariant de nouveaux nucléotides et, après le processus, deux chaînes nouvellement formées constituées de la liaison entre ces nucléotides apparaissent. En conséquence, deux molécules d'ADN sont créées, chacune avec une chaîne de la molécule d'origine et une nouvelle chaîne formée par de nouveaux nucléotides. Par conséquent, il n'est pas tout à fait correct de prétendre que la réplication produit deux nouvelles molécules d'ADN. Il vaut mieux préciser que deux nouvelles demi-molécules sont créées.

En raison de ce phénomène, la réplication de l'ADN est appelée réplication semi-conservative.

19. La réplication de l'ADN se produit-elle pendant la division cellulaire ?

Oui. La réplication de l'ADN se produit pendant la mitose ainsi que pendant la méiose.

Le système de réparation de l'ADN

20. Une caractéristique des molécules d'ADN est leur capacité de réplication. Quelles sont les conséquences des échecs lors de la réplication de l'ADN ?

Idéalement, une molécule d'ADN devrait se répliquer parfaitement. Cependant, il arrive parfois que des échecs dans la réplication se produisent, provoquant l'altération (suppression, addition ou substitution) d'un ou plusieurs nucléotides dans la molécule.

Ces erreurs, ou mutations, modifient également le processus de synthèse des protéines. Par exemple, la production d'une protéine importante pour les cellules ou les tissus peut être supprimée, de nouvelles protéines utiles ou inutilisables peuvent être créées, etc. la diversité des espèces.

21. Des erreurs peuvent se produire lors de chaque processus de copie, et il en va de même pour la réplication de l'ADN. Les cellules ont-elles des systèmes de correction pour corriger ces erreurs ? Quand ces erreurs sont-elles portées uniquement par l'individu au sein duquel l'erreur s'est produite et quand sont-elles transmises à d'autres individus ?

Les cellules sont équipées d'un système enzymatique qui essaie de corriger les erreurs dans le processus de réplication de l'ADN. Cependant, ce système n'est pas complètement efficace.

Les erreurs de réplication de l'ADN restent au sein de l'individu d'origine dans lequel l'échec s'est produit lorsque les phénomènes affectent les cellules somatiques. Si une erreur de réplication se produit dans la formation d'une cellule germinale (par exemple, dans les gamètes), l'altération de l'ADN peut être transmise à la progéniture de cet individu.

22. Où peut-on trouver de l'ARN dans les cellules ?

Dans le noyau des cellules eucaryotes, l'ARN peut être trouvé dans le fluide nucléaire avec l'ADN, et est également le composant principal du nucléole. Dans le cytosol (chez les eucaryotes ou les bactéries), les molécules d'ARN peuvent être trouvées seules, en tant que composant structurel des ribosomes (organites spécialisés dans la synthèse des protéines) ou même liées à eux lors du processus de fabrication des protéines. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leur propre ADN et ARN.

23. Les molécules d'ARN ont-elles deux chaînes polynucléotidiques comme l'ADN ?

Seul l'ADN possède deux chaînes polynucléotidiques. L'ARN ne contient qu'une seule chaîne polynucléotidique.

Transcription de l'ADN

24. Comment s'appelle la production d'ARN et quelle enzyme catalyse ce processus ?

La fabrication d'ARN à partir d'informations contenues dans l'ADN est appelée transcription. L'enzyme qui catalyse ce processus est l'ARN polymérase.

25. Quelles sont les similitudes et les différences entre le processus de transcription et les processus de réplication ?

Une chaîne polynucléotidique d'ADN sert de matrice dans la réplication (duplication de l'ADN) ainsi que dans la transcription (formation d'ARN). Dans les deux processus, l'appariement des deux chaînes polynucléotidiques de la molécule d'ADN d'origine est rompu par la coupure des liaisons hydrogène de sorte que les chaînes peuvent être exposées en tant que matrices. La réaction est catalysée par des enzymes spécifiques à la fois dans la transcription et dans la réplication.

Dans la réplication, l'enzyme ADN polymérase catalyse la formation d'une nouvelle chaîne polynucléotidique en utilisant des nucléotides libres dans la solution et en les insérant dans la nouvelle chaîne en fonction de la matrice d'ADN exposée et en suivant la règle A-T, C-G. En transcription, l'enzyme ARN polymérase fabrique une nouvelle chaîne polynucléotidique en fonction de la matrice d'ADN exposée, et obéissant à la règle A-U, C-G.

Lors de la réplication, la chaîne d'ADN matrice d'origine est liée à la chaîne d'ADN nouvellement formée via des liaisons hydrogène et une nouvelle molécule d'ADN est ensuite créée. Lors de la transcription, la liaison entre la chaîne d'ADN matrice et l'ARN nouvellement formé se défait et l'ARN composé d'une seule chaîne polynucléotidique est libéré.

Types d'ARN

26. Quels sont les trois principaux types d'ARN ? Qu'est-ce que l'ARN hétérogène ?

Les trois principaux types d'ARN sont : l'ARN messager, ou ARN de transfert d'ARNm, ou ARNt et l'ARN ribosomique, ou ARNr.

La molécule d'ARN nouvellement formée, un précurseur de l'ARNm, est appelée ARN hétérogène (hnRNA). L'ARN hétérogène contient des zones appelées introns et exons. L'ARNm est traité en de nombreuses étapes chimiques, les introns sont éliminés et l'ARNm est créé, formé uniquement d'exons, les séquences nucléotidiques biologiquement actives.

Les différentes fonctions de l'ADN et de l'ARN

27. Quelle est la différence entre l'ADN et l'ARN en ce qui concerne leur fonction biologique ?

L'ADN est la source d'information pour la production d'ARN (transcription) et donc pour la synthèse des protéines. L'ADN est toujours la base de l'hérédité, en raison de sa capacité de réplication.

L'ARN messager est le modèle pour la synthèse des protéines (traduction). Dans ce processus, l'ARNt et l'ARNr sont également impliqués, puisque le premier porte les acides aminés utilisés dans la formation de la chaîne polypeptidique et le second est un composant structurel des ribosomes (les organites où sont fabriquées les protéines).

Transcription inversée

28. Existe-t-il une situation dans laquelle l'ADN est fabriqué à partir d'une matrice d'ARN ? Quelle est l'enzyme impliquée ?

Le processus dans lequel l'ADN est synthétisé en utilisant une chaîne d'ARN comme matrice est appelé transcription inverse. Dans les cellules infectées par des rétrovirus (virus à ARN, comme les virus du SIDA ou du SRAS), une transcription inverse se produit et l'ADN est fabriqué à partir des informations contenues dans l'ARN viral.

L'ARN viral dans la cellule hôte produit de l'ADN à l'aide d'une enzyme appelée transcriptase inverse. Sur la base de cet ADN, la cellule hôte fabrique alors des protéines virales, de nouveaux virus sont assemblés et la réplication virale se produit.

L'hétérogénéité des acides nucléiques

29. Les groupes phosphate et pentose confèrent-ils une homogénéité ou une hétérogénéité aux chaînes d'acides nucléiques ? Qu'en est-il des groupes azotés ? Sur cette base, lequel de ces groupes est susceptible de participer directement à un codage génétique très diversifié et hétérogène, ou plutôt, lequel de ces groupes est à la base de l'information pour la production de protéines ?

Les groupes phosphate et pentose sont les mêmes dans chaque nucléotide qui compose un acide nucléique. De ce fait, ils sont à l'origine de l'homogénéité de la molécule. Cependant, les bases azotées peuvent varier entre l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine (dans l'ADN) et l'uracile (dans l'ARN). Ces variations sont à l'origine de l'hétérogénéité de la molécule d'acide nucléique.

Les portions homogènes d'une molécule stockent rarement des informations, pour la même raison qu'une séquence de la même lettre de l'alphabet ne peut pas faire plusieurs mots avec des significations différentes. Les bases azotées, par contre, parce qu'elles sont différentes (quatre types différents pour l'ARN ou l'ADN), peuvent faire les différentes séquences et combinaisons qui permettent la diversité du code génétique. 

Maintenant que vous avez fini d'étudier les acides nucléiques, voici vos options :


3.5 Acides nucléiques

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire la structure des acides nucléiques et définir les deux types d'acides nucléiques
  • Expliquer la structure et le rôle de l'ADN
  • Expliquer la structure et les rôles de l'ARN

Les acides nucléiques sont les macromolécules les plus importantes pour la continuité de la vie. Ils portent le modèle génétique de la cellule et portent des instructions pour son fonctionnement.

ADN et ARN

Les deux principaux types d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L'ADN est le matériel génétique de tous les organismes vivants, des bactéries unicellulaires aux mammifères multicellulaires. Il se trouve dans le noyau des eucaryotes et dans les organites, les chloroplastes et les mitochondries. Chez les procaryotes, l'ADN n'est pas enfermé dans une enveloppe membraneuse.

Tout le contenu génétique de la cellule est son génome, et l'étude des génomes est la génomique. Dans les cellules eucaryotes mais pas chez les procaryotes, l'ADN forme un complexe avec les protéines histones pour former la chromatine, la substance des chromosomes eucaryotes. Un chromosome peut contenir des dizaines de milliers de gènes. De nombreux gènes contiennent les informations nécessaires à la fabrication de produits protéiques. D'autres gènes codent pour les produits d'ARN. L'ADN contrôle toutes les activités cellulaires en activant ou en désactivant les gènes.

L'autre type d'acide nucléique, l'ARN, est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. Les molécules d'ADN ne quittent jamais le noyau mais utilisent plutôt un intermédiaire pour communiquer avec le reste de la cellule. Cet intermédiaire est l'ARN messager (ARNm). D'autres types d'ARN, comme l'ARNr, l'ARNt et le microARN, sont impliqués dans la synthèse des protéines et leur régulation.

L'ADN et l'ARN sont composés de monomères que les scientifiques appellent nucléotides. Les nucléotides se combinent pour former un polynucléotide, un ADN ou un ARN. Trois composants comprennent chaque nucléotide : une base azotée, un sucre pentose (cinq carbones) et un groupe phosphate (figure 3.31). Chaque base azotée dans un nucléotide est attachée à une molécule de sucre, qui est attachée à un ou plusieurs groupes phosphate.

Les bases azotées, composants importants des nucléotides, sont des molécules organiques et sont ainsi nommées car elles contiennent du carbone et de l'azote. Ce sont des bases car elles contiennent un groupe amino qui a le potentiel de lier un hydrogène supplémentaire, et donc de diminuer la concentration en ions hydrogène dans son environnement, le rendant plus basique. Chaque nucléotide de l'ADN contient l'une des quatre bases azotées possibles : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T).

Les scientifiques classent l'adénine et la guanine comme des purines. La structure principale de la purine est constituée de deux cycles carbone-azote. Les scientifiques classent la cytosine, la thymine et l'uracile comme des pyrimidines qui ont un seul cycle carbone-azote comme structure principale (figure 3.31). Chacun de ces noyaux basiques carbone-azote a différents groupes fonctionnels qui lui sont attachés. En abrégé de biologie moléculaire, nous connaissons les bases azotées par leurs symboles A, T, G, C et U. L'ADN contient A, T, G et C tandis que l'ARN contient A, U, G et C.

Le sucre pentose dans l'ADN est le désoxyribose, et dans l'ARN, le sucre est le ribose (Figure 3.31). La différence entre les sucres est la présence du groupe hydroxyle sur le deuxième carbone du ribose et de l'hydrogène sur le deuxième carbone du désoxyribose. Les atomes de carbone de la molécule de sucre sont numérotés comme 1′, 2′, 3′, 4′ et 5′ (1′ est lu comme « un premier »). Le résidu phosphate se fixe au groupe hydroxyle du carbone 5' d'un sucre et au groupe hydroxyle du carbone 3' du sucre du nucléotide suivant, ce qui forme une liaison phosphodiester 5'-3'. Une simple réaction de déshydratation comme les autres liaisons reliant les monomères dans les macromolécules ne forme pas la liaison phosphodiester. Sa formation consiste à éliminer deux groupes phosphate. Un polynucléotide peut avoir des milliers de telles liaisons phosphodiester.

Structure en double hélice d'ADN

L'ADN a une structure en double hélice (figure 3.32). Le sucre et le phosphate se trouvent à l'extérieur de l'hélice, formant l'épine dorsale de l'ADN. Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme une paire de marches d'escalier. Les liaisons hydrogène lient les paires les unes aux autres. Chaque paire de bases de la double hélice est séparée de la paire de bases suivante de 0,34 nm. Les deux brins de l'hélice vont dans des directions opposées, ce qui signifie que l'extrémité carbone 5' d'un brin fera face à l'extrémité carbone 3' de son brin correspondant. (Les scientifiques appellent cela une orientation antiparallèle et est important pour la réplication de l'ADN et dans de nombreuses interactions d'acide nucléique.)

Seuls certains types d'appariement de bases sont autorisés. Par exemple, une certaine purine ne peut s'apparier qu'avec une certaine pyrimidine. Cela signifie que A peut s'apparier avec T et G peut s'apparier avec C, comme le montre la figure 3.33. C'est la règle complémentaire de base. En d'autres termes, les brins d'ADN sont complémentaires les uns des autres. Si la séquence d'un brin est AATTGGCC, le brin complémentaire aurait la séquence TTAACCGG. Au cours de la réplication de l'ADN, chaque brin se copie, ce qui donne une double hélice d'ADN fille contenant un brin d'ADN parental et un brin nouvellement synthétisé.

Connexion visuelle

Une mutation se produit et l'adénine remplace la cytosine. Quel impact pensez-vous que cela aura sur la structure de l'ADN ?

L'acide ribonucléique, ou ARN, est principalement impliqué dans le processus de synthèse des protéines sous la direction de l'ADN. L'ARN est généralement simple brin et est composé de ribonucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Un ribonucléotide dans la chaîne d'ARN contient du ribose (le sucre pentose), l'une des quatre bases azotées (A, U, G et C) et le groupe phosphate.

Il existe quatre principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomique (ARNr), l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN). Le premier, l'ARNm, porte le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires dans une cellule. Si une cellule nécessite la synthèse d'une certaine protéine, le gène de ce produit s'active et l'ARN messager se synthétise dans le noyau. La séquence de bases d'ARN est complémentaire de la séquence codante de l'ADN à partir de laquelle elle a été copiée. Cependant, dans l'ARN, la base T est absente et U est présent à la place. Si le brin d'ADN a une séquence AATTGCGC, la séquence de l'ARN complémentaire est UUAACGCG. Dans le cytoplasme, l'ARNm interagit avec les ribosomes et d'autres machines cellulaires (figure 3.34).

L'ARNm est lu dans des ensembles de trois bases appelées codons. Chaque codon code pour un seul acide aminé. De cette manière, l'ARNm est lu et le produit protéique est fabriqué. L'ARN ribosomal (ARNr) est un constituant majeur des ribosomes sur lesquels l'ARNm se lie. L'ARNr assure le bon alignement de l'ARNm et des ribosomes. L'ARNr du ribosome a également une activité enzymatique (peptidyl transférase) et catalyse la formation de liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés. L'ARN de transfert (ARNt) est l'un des plus petits des quatre types d'ARN, généralement de 70 à 90 nucléotides. Il transporte le bon acide aminé vers le site de synthèse des protéines. C'est l'appariement des bases entre l'ARNt et l'ARNm qui permet au bon acide aminé de s'insérer dans la chaîne polypeptidique. Les microARN sont les plus petites molécules d'ARN et leur rôle consiste à réguler l'expression des gènes en interférant avec l'expression de certains messages d'ARNm. Le tableau 3.2 résume les caractéristiques de l'ADN et de l'ARN.

ADN ARN
FonctionPorte des informations génétiquesImpliqué dans la synthèse des protéines
EmplacementReste dans le noyauLaisse le noyau
StructureDouble héliceGénéralement monocaténaire
SucreDésoxyriboseRibose
PyrimidinesCytosine, thymineCytosine, uracile
PurinesAdénine, guanineAdénine, guanine

Même si l'ARN est simple brin, la plupart des types d'ARN présentent un appariement de bases intramoléculaire étendu entre des séquences complémentaires, créant une structure tridimensionnelle prévisible essentielle à leur fonction.

Comme vous l'avez appris, le flux d'informations dans un organisme se fait de l'ADN à l'ARN à la protéine. L'ADN dicte la structure de l'ARNm dans un processus que les scientifiques appellent transcription , et l'ARN dicte la structure de la protéine dans un processus que les scientifiques appellent traduction . C'est le dogme central de la vie, qui est vrai pour tous les organismes, cependant, des exceptions à la règle se produisent en relation avec les infections virales.

Lien vers l'apprentissage

Pour en savoir plus sur l'ADN, explorez les animations BioInteractive du Howard Hughes Medical Institute sur le thème de l'ADN.


Comment l'ADN est arrangé dans la cellule

L'ADN est une molécule fonctionnelle, il doit être répliqué lorsqu'une cellule est prête à se diviser, et il doit être « lu » pour produire les molécules, telles que les protéines, afin de remplir les fonctions de la cellule. Pour cette raison, l'ADN est protégé et conditionné de manière très spécifique. De plus, les molécules d'ADN peuvent être très longues. Étirées de bout en bout, les molécules d'ADN d'une seule cellule humaine viendraient à un longueur d'environ 2 mètres. Ainsi, l'ADN d'une cellule doit être conditionné de manière très ordonnée pour s'adapter et fonctionner au sein d'une structure (la cellule) qui n'est pas visible à l'œil nu. Les chromosomes des procaryotes sont beaucoup plus simples que ceux des eucaryotes dans plusieurs de leurs caractéristiques (Figure 9.6). La plupart des procaryotes contiennent un seul chromosome circulaire qui se trouve dans une zone du cytoplasme appelée nucléoïde.

Figure 9.6 Un eucaryote contient un noyau bien défini, alors que chez les procaryotes, le chromosome se trouve dans le cytoplasme dans une zone appelée nucléoïde.

The size of the genome in one of the most well-studied prokaryotes, Escherichia coli, is 4.6 million base pairs, which would extend a distance of about 1.6 mm if stretched out. So how does this fit inside a small bacterial cell? L'ADN est tordu au-delà de la double hélice dans ce qu'on appelle le superenroulement. Certaines protéines sont connues pour être impliquées dans le superenroulement, d'autres protéines et enzymes aident à maintenir la structure superenroulée.

Eukaryotes, whose chromosomes each consist of a linear DNA molecule, employ a different type of packing strategy to fit their DNA inside the nucleus. At the most basic level, DNA is wrapped around proteins known as histones to form structures called nucleosomes. The DNA is wrapped tightly around the histone core. This nucleosome is linked to the next one by a short strand of DNA that is free of histones. This is also known as the “beads on a string” structure the nucleosomes are the “beads” and the short lengths of DNA between them are the “string.” The nucleosomes, with their DNA coiled around them, stack compactly onto each other to form a 30-nm–wide fiber. This fiber is further coiled into a thicker and more compact structure. At the metaphase stage of mitosis, when the chromosomes are lined up in the center of the cell, the chromosomes are at their most compacted. They are approximately 700 nm in width, and are found in association with scaffold proteins.

In interphase, the phase of the cell cycle between mitoses at which the chromosomes are decondensed, eukaryotic chromosomes have two distinct regions that can be distinguished by staining. There is a tightly packaged region that stains darkly, and a less dense region. The darkly staining regions usually contain genes that are not active, and are found in the regions of the centromere and telomeres. The lightly staining regions usually contain genes that are active, with DNA packaged around nucleosomes but not further compacted.

Figure 9.7 These figures illustrate the compaction of the eukaryotic chromosome.


Structure en double hélice d'ADN

Figure 11. Le modèle à double hélice montre l'ADN sous la forme de deux brins parallèles de molécules entrelacées. (crédit : Jerome Walker, Dennis Myts)

L'ADN a une structure en double hélice (Figure 11). Il est composé de deux brins, ou polymères, de nucléotides. Les brins sont formés avec des liaisons entre les groupes phosphate et sucre de nucléotides adjacents. Les brins sont liés les uns aux autres à leurs bases par des liaisons hydrogène, et les brins s'enroulent les uns sur les autres sur toute leur longueur, d'où la description de « double hélice », qui signifie une double spirale.

Les groupes de sucre et de phosphate en alternance se trouvent à l'extérieur de chaque brin, formant l'épine dorsale de l'ADN. Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme les marches d'un escalier, et ces bases appariées les paires sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène. Les bases s'apparient de telle sorte que la distance entre les squelettes des deux brins soit la même tout au long de la molécule.


Partie 3 : Bingo de synthèse de protéines

Remplissez les cases avec 16 des 20 acides aminés. Chaque carré de bingo sera unique. Ensuite, écoutez pendant que des séquences de nucléotides aléatoires sont extraites du chapeau. Écoutez attentivement quel genre de séquence s'appelle ! Utilisez le tableau des codons de l'ARNm de la page précédente pour déterminer l'acide aminé associé à chaque séquence. (Version imprimable ici.)

alanine-ala-A cystéine—cys—C histidine—son—H méthionine—rencontré—M thréonine—thr—T
arginine—arg—R glutamine—gln—Q isoleucine-ile-I phénylalanine—phe—F tryptophane—trp—W
asparagine—asn—N acide glutamique—glu—E leucine—leu—L proline—pro—P tyrosine—tyr—Y
acide aspartique—asp—D glycine-gly-G lysine—lys—K sérine—ser—S valine—val—V

Séquence appelée ADN ? ARNm ? ARNt ? Codon AA
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Voir la vidéo: جديد و شيق!!!! La forme dAND (Octobre 2022).