Les Acides Nucleiques

1. Les Nucléotides

1.1. Constitution des cellules

• eau
• sels minéraux
• molécules organiques :
  • oses, acides gras,
  • organisation complexe et poids moléculaire élevé : macromolécules : les protéines et les acides nucléiques dont les constituants majeurs sont les nucléotides.

1.1.1 Les bases

1.1.1.1. Bases pyrimidiques

Cycle azoté "pyrimidine" sur lequel différents groupements sont fixés.

• Uracile : 2,4 dioxy-pyrimidine (ARN)
• Thymine : 2,4-dioxy-5-méthyl-pyrimidine (ADN)
• Cytosine : 2-oxy-4-amino-pyrimidine (ADN/ARN)

1.1.1.2. Bases puriques

Cycle azoté "purique" sur lequel différents groupements sont fixés.

• Adénine : 6-amino-purine (ADN/ARN)
• Guanine : 2-amino-6-oxy-purine (ADN/ARN)
• Hypoxanthine : 6-oxypurine. Elle ne fait pas partie des bases intégrées au cours de la synthèse d'ADN et d'ARN.

Les acides nucléiques contiennent d'autres bases en petite quantité comme :

• 5-méthyl-cytosine (ADN)
• 7-méthyl-guanine (ARNm)
• bases hydroxylées, méthylées dans les ARN de transfert.

1.1.2 Les oses

1.1.2.1. D-ribose :

• ose à 5 carbones,
• sous forme cyclisé en ribofuranose (anomère β),
• présent dans l'ARN.

La numérotation des C de l'ose porte des "primes".

1.1.2.2. 2'-désoxy-D-ribose

Dérive du ribose par réduction de sa fonction alcool secondaire en 2', présent dans l'ADN.

1.1.2.3. Acide phosphorique

• H₃PO₄
• 3 fonctions acides à l'état libre.

1.2. Association des éléments constitutifs.

1.2.1 liaison base-ose : nucléoside

• C'est une liaison N-osidique : il y a élimination d'une molécule d'eau entre :
  • l'OH semi-aldéhydique de l'ose en 1',
  • et un Hydrogène :
    • de la base purique en 9
    • de la base pyrimidique en 1
  • liaison N-béta-osidique.

1.2.2 liaison base-ose-H₃PO₄ : le nucléotide

Il s'agit d'une liaison ester : on observe une élimination d'une molécule d'eau entre :

• l'OH de la fonction alcool primaire en 5' de l'ose du nucléoside,
• l'un des OH de l'acide phosphorique.

1.3. Nomenclature

1.3.1 Nucléosides

Pour les purines : suffixe en "osine". Exemple : adénosine
Pour les pyrimidiques : suffixe en "idine". Exemple : thymidine

1.3.2 Nucléotides

Pour les purines : suffixe en "ylique". Exemple : acide adénylique ou Adénosine MonoPhosphate (AMP)
Pour les pyrimidines : suffixe en "idylique". Exemple : acide thymidylique ou Thymidine MonoPhosphate (TMP)

Pour indiquer que l'ose est le désoxyribose, "d-" est placé avant le nom de la molécule.

1.4. Différents nucléotides dans les milieux extracellulaires

Ils sont sous formes de mono, di ou triphosphate.
Dans les dérivés di ou triphosphate les liaisons des deuxième et troisième phosphate (β et γ) sont caractérisées par leur énergie d'hydrolyse très élevée.

Les nucléosides existent dans les cellules :

• sous forme de nucléosides (cf anté),
• sous forme de dérivés de nucléotides (NAD, NADP, FAD...), ils ont donc un rôle en tant que cofacteur d'enzymes,
• comme constituants des acides nucléiques, ils ont alors un rôle de support de l'information génétique.

1.5. Liaison des nucléotides dans les acides nucléiques

1.5.1 Liaison ester :

Elle est crée par élimination d'une molécule d'eau entre :

• la fonction alcool secondaire en 3' du ribose d'un nucléotide,
• la fonction acide de l'acide phosphorique en 5' du nucléotide suivant.

Or l'H₃PO₄ en 5' est déjà engagé par une de ses fonctions acides dans une liaison ester avec le ribose : il s'agit donc en fin de compte d'une liaison phosphodiester.

1.5.2. Acide Phosphorique

La troisième fonction acide de l'acide phosphorique reste libre : elle confère un caractère acide aux "acides" nucléiques.

1.5.3. Un acide nucléique possède 2 extrémités

• L'extrémité 5'P (phosphate) : l'H₃PO₄ en 5' de l'ose est libre,
• l'extrémité 3'OH : l'OH en 3' de l'ose est libre.

1.6. Conclusion

2. Les acides nucléiques

2.1. ADN des cellules eucaryotes

2.1.1 ADN nucléaire

2.1.1.1. Les bases

• puriques : adénine et guanine : A, G
• pyrimidiques : cytosine et thymine : C, T

2.1.1.2. L'ose : le désoxyribose

2.1.1.3. La structure

1. bicaténaire : 2 brins
2. brins antiparallèles : 5' → 3' et 3' → 5
3. brins complémentaires :
   • La structure est assurée par des liaisons hydrogènes entre les bases :
     • hybridation A-T : 2
     • hybridation C-G : 3
   • liaisons hydrogène entre :
     • une fonction amine NH2 et un groupement C=O (carbonyle),
     • un azote d'un cycle et l'hydrogène porté par un azote de l'autre cycle.
   • complémentarité des bases : absolue [A]=[T]
   • Pour tous les ADN de toutes les espèces. [C]=[G]
   • 2 bases sont complémentaires dans un même plan
   • Chaque paire de base a le même encombrement stérique
   • Au final on a une structure régulière, un encombrement constant.
4. Structure hélicoïdale : les 2 brins de l'ADN :
   • s'enroulent autour d'un axe central imaginaire
   • forment une "échelle" :
     • barreaux : formés par la paire de bases complémentaires (hydrophobe dans la région interne de l'édifice moléculaire)
     • montants : formés par l'enchaînement des désoxyribose-phosphate (hydrophiles, acides, orientés vers l'extérieur de l'édifice moléculaire) : "squelette ribose-phosphate"
   • On a une structure en double hélice : James Watson et Francis Crick 1953 (prix nobel 1962)
5. Structure dynamique, flexible : La position des bases par rapport au désoxyribose peut être soit du même côté de la molécule (position "SYN"), soit éloignée (position "ANTI"). Ces variations spatiales peuvent générer différentes conformations de l'ADN : le B-ADN, plus exceptionnellement le Z-ADN...

2.1.1.4. Dénaturation "in vitro"

C'est la séparation des 2 brins d'ADN par rupture des liaisons hydrogènes :

• par différents moyens physiques (chauffages, pH extrêmes...)
• température de fusion Tm : la Tm est d'autant plus grande que l'ADN contient des bases G et C,
• modifications physico-chimiques :
  • diminue la viscosité,
  • augmente l'absorption optique à 260 nm.
• C'est un phénomène réversible : quand la température redescend au-dessous de la Tm, les 2 brins d'ADN se réhybrident selon les règles de complémentarité : c'est la renaturation.

2.1.1.5. Organisation de l'ADN nucléaire : chromatine

C'est l'association de l'ADN et de protéines.

Chez l'Homme, l'ADN est principalement localisé dans le noyau, comme dans toutes les cellules eucaryotes. L'ADN est constitué d'environ 3 milliards de paires de bases, il mesure environ 1m de longueur entièrement déroulé et le diamètre du noyau est à peu prés de 10^-6 mètres.

L'ADN doit subir une compaction très importante pour former les nucléosomes. La double hélice s'enroule autour d'un noyau de 8 protéines : les histones; sur une longueur d'environ 200 paires de bases en formant environ 2 tours.

Les histones sont des protéines globulaires, à extrémité (externe) riche en acides aminés basiques chargés positivement.

La liaison ADN-histone se fait par :

• des liaisons hydrogènes entre :
  • les chaînes latérales des acides aminés des histones,
  • les atomes d'oxygène des groupements phosphates de l'ADN
• des liaisons entre :
  • les charges + des histones
  • les charges - des phosphates de l'ADN

Chaque nucléosome est relié au suivant par un fragment d' "ADN linker" sur lequel se fixe une protéine histone H1 : on obtient ainsi l'empilement des nucléosomes.

2.1.1.6. Différents niveaux de compaction

2.1.1.6.1. Fibre de chromatine

Les nucléosomes s'enchaînent les uns derrière les autres pour former cette fibre de chromatine en forme de "collier de perles" de 10 nm, visible en microscopie électronique.

Les nucléosomes sont compactés et forment des boucles, solénoïdes, etc... aboutissant à la formation d'une fibre de chromatine de 30 nm.

2.1.1.6.2. Le chromosome

Il résulte du niveau de compaction le plus élevé. Chez l'Homme, l'ADN est réparti sur 46 chromosomes.

• encombrement minimum de l'ADN dans le noyau,
• rapprochement des régions d'ADN qui sont linéairement très distantes les unes des autres,
• structure dynamique capable de relâchements ponctuels grâce à des complexes de remodelage, d'où contrôle de l'accès à certaines séquences (gènes).

Comment?

• par glissement ou par transfert du noyau "histone" le long de l'ADN,
• par modification des régions N-terminales des histones : acétylation, méthylation, phosphorylation, ce qui conduit à une neutralisation des charges + des histones, diminution de la liaison ADN-histone.
• Des segments d'ADN deviennent accessibles à des protéines spécifiques du remodelage.

Quand?

• Exemple : en dehors de la division cellulaire (interphase), la chromatine semble principalement sous forme de fibre de 30 nm, forme décondensée.
• Pendant la division cellulaire, la chromatine prend une configuration plus compacte, condensée sous forme de chromosomes (visibles).

2.1.1.7. Les différents ADN nucléaires

Le Génome est l'ensemble de l'information génétique.

2.1.1.7.1. ADN génique : 25%

ADN codant pour la plupart des protéines :

• chaque gène est présent sous forme de 1 ou 2 copies ou quelques copies,
• généralement proches sur le même chromosome,
• taille très variable, en moyenne = 30 000 nucléotides.

ADN codant pour les histones :

• ARNt (taille moyenne = 100 nucléotides),
• ARNr,
• Les gènes codant pour ces protéines et ces ARN sont répétés plusieurs milliers de fois.

2.1.1.7.2. ADN répétitif groupé = 10% du génome

Les séquences sont :

• courtes, environ 10 à environ 100 paires de bases,
• répétées : des milliers à millions de copies,
• disposées en tandem les unes à la suite des autres,
• situées sur les chromosomes dans la région des centromères et au niveau des télomères,
• généralement non codantes (non transcrite et non traduites).

2.1.1.7.3. ADN répétitif dispersé = 50% du génome

• Les séquences répétées sont :
  • dispersées tout au long du génome,
  • en grande partie non codantes,
  • rétrotransposons : -transposons, -pseudo-gènes, -transgènes.
• Rétrotransposons :
  • LINE (long interspersed nuclear elements) ≈ 5000 paires de bases; séquences capable d'être recopiées et transposées dans le génome par un mécanisme spécifique mettant en jeu un ARN.
  • SINE (short interspersed nuclear elements) ≈ 500 paires de bases
  • transposons : séquences capables d'être recopiées dans le génome par un mécanisme de "copiage-collage".
  • pseudo-gènes : séquences semblables à celles de gènes codant pour des protéines connues, mais non traduites, il y en a environ 2000. Témoins de l'évolution ?
  • transgènes : séquences d'ADN provenant d'autres espèces (ex : virus)

2.1.1 ADN mitochondrial

• 2 brins, circulaire,
• il code pour les différents ARN nécessaire à la synthèse des protéines de la chaîne respiratoire (analogue des ARN cytoplasmiques),
• il possède un code génétique mitochondrial légèrement différent du code nucléaire,
• l'hérédité est cytoplasmique et maternelle : l'embryon hérite de l'ADN mitochondrial du cytoplasme de l'ovule. Les maladies mitochondriales sont transmises par la mère.

2.2. ADN des êtres vivants

Différences eucaryotes / procaryotes :

• ADN isolé (eucaryote) ou non (procaryote) du cytoplasme par une membrane nucléaire,
• plusieurs molécules (chromosomes) dans les cellules eucaryotes / une seule molécule chez les virus et bactéries (procaryotes),
• forme linéaire = eucaryote / circulaire = procaryote,
• nombres de nucléotides : des milliards (répartis sur plusieurs molécules) = eucaryotes / des milliers dans les cellules procaryotes.

Similitudes eucaryotes / procaryotes :

• structure commune : enchaînement des nucléotides,
• bicaténaire (sauf pour quelques virus),
• séquences de bases caractéristiques de chaque molécule d'ADN.

2.3. ARN des cellules eucaryotes

2.3.1 ARN : caractéristiques

• base :
  • puriques : adénine et guanine,
  • pyrimidiques : cytosine et uracile,
• ose : ribose (D-ribose),
• structure :
  • monocaténaire : un seul brin,
  • mais appariement des ARN : entre les 2 molécules d'ARN distinctes (ARNm et ARNt), ou au niveau des régions de repliement au sein d'une même molécule d'ARN (ARNt). [A]=[U] [G]=[C]

2.3.2 Différents ARN, rôle : synthèse protéique

2.3.2.1. ARN ribosomique ARNr

• ARNm
• ARNt
• petits ARN nucléaires (snARN small nuclear) : maturation des ARNm.
• autres fonctions :
  • amorce (court segment) pour la réplication de l'ADN
  • ARN7SL (SRP : signal recognition particule) : responsable du déplacement des ribosomes dans le cytosol
  • ARN interférent

2.3.2.2. ARNm = 2%

2.3.2.2.1. Rôle

• copie d'une séquence d'ADN contenant l'information pour la synthèse d'une seule protéine,
• transfère l'information du noyau au cytoplasme.

2.3.2.2.2. Structure

• synthétisé dans le noyau : "transcrit primaire", taille très variable (ARN nucléaires hétérogènes, ARNnh),
• mature dans le cytoplasme,
• "décodé"/ ribosomes : synthèse protéiques
• durée de vie très courte :
  • quelques minutes à qq jours,
  • décodés" plusieurs fois au niveau des ribosomes avant d'être dégradés.

2.3.2.3. ARNr = 80%

2.3.2.3.1. Rôle

• fixation des autres ARNt/m,
• support cytoplasmique de la synthèse protéique,
• libres ou liés au RE(G).

2.3.2.3.2. Structure

Les ribosomes sont :

• formés par :
  • la petite sous unité de 40S : environ 1500 nucléotides,
  • la grande sous unité de 60S : environ 4000 nucléotides
  • séparées par un sillon dans lequel passera l'ARNm
  • constitués à 65% d'ARNr et à 35% de r-protéines.

2.3.2.4. ARNt = 15%

2.3.2.4.1. Rôle

Transfert des acides aminés libres du cytoplasme vers le ribosome.

2.3.2.4.2. Sructure

• environ 100 nucléotides,
• bases atypiques :
  • hypoxanthine,
  • thymine et autres bases méthylées,
• bases modifiées secondairement à la synthèse des ARNt : ces modifications sont post-tradructionnelles et elles sont responsables d'une configuration spatiale particulière qui confére aux ARNt cette forme spatiale en "feuille de trèfle",
• au niveau des branches :
  • repliement du brin d'ARN monocaténaire,
  • appariements entre bases complémentaires par des liaisons hydrogènes
• au niveau des boucles :
  • présence de bases atypiques,
  • nucléotides non appariés.
• 2 sites fonctionnels très importants :
  • l'extrémité 3'OH :
    • chaque ARNt se termine par 3 nucléotides CMP, CMP, AMP "CCA",
    • fixe l'acide aminé à transporter;
• l'anticodon :
  • composé de 3 nucléotides,
  • situé au niveau d'une boucle,
  • reconnu par le codon de l'ARNm avec lequel il s'apparie;
• l'appariement codon-anticodon :
  • entre bases complémentaires du codon et de l'anticodon,
  • par des liaisons hydrogènes,
  • antiparallèle.

2.3.2.5. ARNi (interférent)

Il est formé à partir de :

• transgènes,
• séquences d'ADN répétitif,
• double brin,
• rôle : il inhibe l'expression de gènes spécifiques.

L'ARN est fragile "in vitro" : l'ARN, contrairement à l'ADN, est très facilement dégradé par des enzymes ribonucléases présentes sur la peau humaine. La manipulation des ARN au laboratoire nécessite donc de travailler avec du matériel stérile et des gants.

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