Les propriétés remarquables des acides nucléiques, qui qualifient ces substances pour servir de porteurs d’informations génétiques, ont retenu l’attention de nombreux chercheurs. Les bases ont été posées par des biochimistes pionniers qui ont découvert que les acides nucléiques sont de longues molécules en forme de chaîne, dont les os arrière sont constitués de séquences répétées de liaisons phosphate et sucre — sucre ribose dans l’ARN et sucre désoxyribose dans l’ADN. Deux types de bases azotées sont attachés aux liens de sucre dans l’épine dorsale: purines et pyrimidines. Les purines sont l’adénine (A) et la guanine (G) dans l’ADN et l’ARN; les pyrimidines sont la cytosine (C) et la thymine (T) dans l’ADN et la cytosine (C) et l’uracile (U) dans l’ARN. Une seule purine ou pyrimidine est attachée à chaque sucre et toute la sous-unité phosphate-sucre-base est appelée nucléotide. Les acides nucléiques extraits de différentes espèces animales et végétales ont des proportions différentes des quatre nucléotides. Certains sont relativement plus riches en adénine et en thymine, tandis que d’autres ont plus de guanine et de cytosine. Cependant, il a été découvert par le biochimiste Erwin Chargaff que la quantité de A est toujours égale à T et la quantité de G est toujours égale à C.

Avec l’acceptation générale de l’ADN comme base chimique de l’hérédité au début des années 1950, de nombreux scientifiques se sont intéressés à déterminer comment les bases azotées s’emboîtent pour former une molécule filiforme. La structure de l’ADN a été déterminée par le généticien américain James Watson et le biophysicien britannique Francis Crick en 1953. Watson et Crick ont basé leur modèle en grande partie sur les recherches des physiciens britanniques Rosalind Franklin et Maurice Wilkins, qui ont analysé les modèles de diffraction des rayons X pour montrer que l’ADN est une double hélice. Les résultats de Chargaff ont suggéré à Watson et à Crick que l’adénine était en quelque sorte associée à la thymine et que la guanine était associée à la cytosine.

En utilisant ces informations, Watson et Crick ont mis au point leur modèle désormais célèbre montrant l’ADN sous la forme d’une double hélice composée de deux chaînes de nucléotides entrelacées, dans lesquelles les adénines d’une chaîne sont liées aux thymines de l’autre, et les guanines d’une chaîne sont liées aux cytosines de l’autre. La structure ressemble à une échelle qui a été tordue en forme de spirale: les côtés de l’échelle sont composés de groupes sucre et phosphate, et les échelons sont constitués des bases azotées appariées. En faisant un modèle de fil de la structure, il est devenu clair que la seule façon dont le modèle pouvait se conformer aux exigences des dimensions moléculaires de l’ADN était si A était toujours jumelé avec T et G avec C; en fait, les paires A-T et G-C présentaient un ajustement satisfaisant. clé. Bien que la plupart des liaisons de l’ADN soient de fortes liaisons covalentes, les liaisons A-T et G-C sont de faibles liaisons hydrogène. Cependant, de multiples liaisons hydrogène le long du centre de la molécule confèrent une stabilité suffisante pour maintenir les deux brins ensemble.

Les deux brins de la double hélice de Watson et de Crick étaient antiparallèles ; c’est-à-dire que les nucléotides étaient disposés dans une orientation opposée. Cela peut être visualisé si la forme en L d’un nucléotide est imaginée comme une chaussette: le col de la chaussette est la base azotée, l’orteil est le groupe phosphate et le talon est le groupe sucre. La chaîne nucléotidique serait alors une chaîne de chaussettes attachées du talon aux orteils, le cou pointant vers l’intérieur vers le centre de la molécule d’ADN. Dans un brin, la disposition de l’épine dorsale sucre-phosphate serait orteil-talon-talon et ainsi de suite, et dans l’autre brin dans la même direction, la disposition serait talon-orteil-talon-orteil. Chimiquement, le talon est l’extrémité 3′-hydroxyle et l’orteil est l’extrémité 5′-phosphate. (Ces noms sont dérivés des atomes de carbone à travers lesquels la liaison sucre-phosphate est réalisée.) Par conséquent, un brin d’ADN va de 5 ‘ → 3′ (cinq premiers à trois premiers), tandis que l’autre va de 3′ → 5’.

Watson et Crick ont noté que leur structure d’ADN proposée remplissait deux caractéristiques nécessaires d’une molécule héréditaire. Premièrement, une molécule héréditaire doit être capable de se répliquer afin que l’information puisse être transmise à la génération suivante; par conséquent, Watson et Crick ont émis l’hypothèse que, si les deux moitiés de la double hélice pouvaient se séparer, elles pourraient servir de modèles pour la synthèse de deux doubles hélices identiques. Deuxièmement, une molécule héréditaire doit contenir des informations pour guider le développement d’un organisme complet; par conséquent, Watson et Crick ont émis l’hypothèse que la séquence de nucléotides pourrait représenter des informations codées de ce type. Des recherches ultérieures ont montré que leurs spéculations sur les deux points étaient correctes.