L'ADN est constitué par une succession de nucléotides (l'adénine, la thymine, la guanine et la cytosine) chacun lié à un des deux brins de l'ADN.
Ces groupes s'assemblent entre eux par des liaisons hydrogène, reliant ainsi les deux brins et donnant la structure en hélice bien connue. Les trois atomes impliqués dans ces liaisons H sont alignés.
On donne les représentations topologiques des nucléotides ci-dessous (le symbole en forme de vague représente la liaison au brin) :
Par combien de liaisons hydrogène l'adénine et la thymine s'associent-elles ?
La liaison hydrogène est une interaction électrostatique, plus intense que la liaison de Van der Waals.
Elle s'établit entre un atome d'hydrogène lié à un atome très électronégatif (comme O, N, F ou Cl) d'une molécule et un atome électronégatif d'une autre molécule.
Pour déterminer le nombre de liaisons hydrogène entre l'adénine et la thymine, il faut donc repérer les atomes d'hydrogène (en rouge) et les atomes électronégatifs (en vert) susceptibles d'y participer :
Le but est alors de former le plus de liaisons hydrogène possible afin que les deux molécules soient liées au mieux entre elles.
Étant donné qu'il n'y a qu'un hydrogène porté par un atome électronégatif sur ces deux nucléotides, on ne peut former que deux liaisons hydrogène entre l'adénine et la thymine.
Concernant l'adénine
On peut éliminer l'azote numéro 1 de l'adenine comme y participant car, trop éloigné de l'hydrogène participant à l'une des deux liaisons, la seconde ne pourrait s'établir (les deux nucléotides ne peuvent bouger sur eux-mêmes car fixés chacun à leur brin).
L'azote numéro 2 est quant à lui un peu plus éloigné des hydrogènes que le 3 et aussi plus près du brin donc avec un environnement plus encombré.
La liaison hydrogène s'établira donc avec l'azote numéro 3. Pour l'hydrogène, les deux atomes étant équivalents, cela n'a aucune importance de savoir lequel participe à l'autre liaison H.
Concernant la thymine
Les deux atomes d'oxygène sont à égale distance de l'hydrogène participant à l'autre liaison H mais le numéro 2 est plus près du brin donc avec un environnement plus encombré.
La liaison hydrogène s'établira donc avec l'oxygène numéro 1.
Il se forme deux liaisons hydrogène entre l'adénine et la thymine :
Par combien de liaisons hydrogène la guanine et la cytosine s'associent-elles ?
Pour déterminer le nombre de liaisons hydrogène entre la guanine et la cytosine, il faut donc procéder comme dans la première question en repérant les atomes d'hydrogène (en rouge) et les atomes électronégatifs (en vert) susceptibles d'y participer :
Le but est de former le plus de liaisons hydrogène possible afin que les deux molécules soient liées au mieux entre elles.
Étant donné qu'il y a deux hydrogènes portés par des atomes électronégatifs sur la guanine et un seul hydrogène porté par un atome électronégatif sur la cytosine, on peut cette fois former trois liaisons hydrogène entre les deux nucléotides.
Concernant la guanine
La position des atomes d'hydrogène détermine deux des trois liaisons H auxquelles participe la guanine et donc l'alignement de celles-ci. Cela impose que l'atome électronégatif participant à la troisième permette une liaison H alignée avec les deux premières.
Il ne peut donc s'agir d'aucun des atomes d'azote mais que de l'atome d'oxygène.
Concernant la cytosine
Il n'y a pas d'autre atome électronégatif que les deux libres (par opposition à l'azote faisant la liaison avec le brin, bien trop encombré), qui peuvent participer aux deux liaisons H que forme ce nucléotide. En revanche, l'atome d'hydrogène est bien placé pour établir la troisième en parallèle des deux autres avec la guanine.
Il se forme trois liaisons hydrogène entre la guanine et la cytosine :
