Introduction à la biochimie

Introduction à la biochimie

• La biochimie est l'étude de la vie au niveau moléculaire, ou l'étude de la chimie de la vie
• Elle s'intéresse à la structure/fonction des molécules
• Elle se concentre sur le rôle des molécules (enzymes, récepteurs...) dans les processus biologiques
• Elle concerne le transfert de l'information génétique et la synthèse des molécules
• Enfin, elle traite du contrôle des réactions biologiques dans la cellule, ainsi que de la croissance, la différenciation et la reproduction des organismes
• La biochimie est devenue l'une des disciplines les plus marquantes de la décennie
• La structure des macromolécules (ADN, ARN, protéines...) est maintenant connue
• Les mécanismes de base tels que la transcription et la traduction sont élucidés
• La connaissance des voies métaboliques et des mécanismes de conversion de l'énergie s'est accrue
• Les principes et patrons moléculaires sont communs à travers le règne vivant
• L'apport des nouvelles techniques permet d'étudier les problèmes les plus fondamentaux de biologie et de médecine
• Cela inclut le développement, le fonctionnement du système nerveux, de la mémoire, le cancer et les oncogènes
• La biochimie influence énormément la médecine, la pharmacologie et la génétique
• Elle permet d'élucider la cause moléculaire de certaines maladies, fournit des outils pour le diagnostic, et fournit des remèdes moléculaires et/ou des drogues
• La biochimie permet la modification d'organismes

Structure et objectifs du cours

• Le cours aborde la génétique, la structure, les mécanismes et les applications des acides nucléiques

Génétique

• Comprendre les grandes lois de la génétique mendélienne
• Comprendre comment les chromosomes sont transmis
• Découvrir que l'ADN est la molécule porteuse de l'information génétique et de son transfert

Structure

• Connaître la structure de l'ADN, des chromosomes et de la chromatine
• Faire le lien entre la structure de l'ADN et la génétique

Mécanismes et applications

• Connaître les mécanismes de réplication et de réparation de l'ADN (fidélité)
• Comprendre les mécanismes de recombinaison de l'ADN (modification)
• Comprendre l'importance des mutants dans l'évolution et en science
• Comprendre la signification du code génétique (transfert de l'information génétique)
• Avoir un aperçu des principaux systèmes génétiques et de l'importance de la génétique dans les populations humaines (applications)

Objectifs généraux du cours

• Étudier comment les nucleotides sont assemblées pour former l'ADN et l'ARN
• Examiner la structure de l'ADN et de l'ARN et les forces qui permettent de la stabiliser
• Découvrir comment l'ADN est protégé et introduit dans des structures macro-moléculaires complexes comme la chromatine et les chromosomes
• Apprécier l'importance de la structure de l'ADN dans des phénomènes génétiques tels que la mitose, la méiose, la recombinaison et la transmission des traits génétiques

Objectifs spécifiques du cours

• Connaître les bases de la génétique moléculaire et la structure chimique des acides nucléiques
• Comprendre les règles d'appariement des bases, la différence de structure de la double hélice d'ADN et la structure de l'ARN
• Reconnaître l'importance des motifs d'ARN et les forces stabilisantes des acides nucléiques
• Connaître les principes de repliement de l'ADN en molécules sur-enroulées, la structure de la chromatine et la structure des chromosomes

Plan du cours

• Génétique moléculaire (a)
• Structure en double hélice: ADN-B de Watson Crick, ADN-Z, ADN-A, structure de l'ARN (b)
• Forces stabilisantes des acides nucléiques: dénaturation/rénaturation, appariement des bases, interactions hydrophobes (c)
• ADN surenroulé et topoisomérases (d)
• Structure de la chromatine et des chromosomes: nucléosomes, filaments de 300 Å, boucles radiales, histones, régulation épigénétique (e)

Flux de l'information génétique

• L'ADN génomique est un gène unique, avec une copie par génome, identique dans tous les tissus, souvent fragmenté en exons et introns, et mesure de 10 000 à 100 000 pb.
• La transcription de l'ADN génomique produit l'ARNm
• L'ARNm, étant en plusieurs copies par cellule, a une expression différente selon les tissus, possède plusieurs isoformes, et mesure environ 1 000 pb
• Les données d'ARNm permettent de créer des génothèques
• La traduction de l'ARNm produit des protéines
• Les protéines en plusieurs copies par cellule, ont une expression différente selon les tissus et plusieurs isoformes

Comparaison des génomes

• Les organismes complexes ont une densité génique plus faible
• Chez les procaryotes, la grande majorité du chromosome est constituée de régions codantes ou non codantes essentielles (ARNr)
• Chez les eucaryotes, les gènes ne représentent qu'une petite proportion de l'ADN
• Il existe de nombreuses régions intergéniques avec des séquences répétées et uniques dédiées au contrôle de l'expression génique
• La majorité des régions codantes sont interrompues par des introns

Génothèque d'ADN génomique

• Pour les gènes uniques, il y a 1 copie par génome haploïde
• Pour les autres éléments génétiques comme les transposons, il y a plusieurs copies par génome
• Les gènes uniques représentent environ 3% du génome humain tandis que les éléments répétés représentent plus de 50% du génome humain
• La taille des gènes uniques varie grandement, et peut atteindre 10 000 à 100 000 pb, car la plupart des gènes humains sont fragmentés (exon/intron)

Génothèque d'ADNc (ARNm)

• Les ARNm issus de la transcription des gènes uniques ont une taille moyenne de 1,000 nt suite à l'élimination des introns
• Le gène est présent dans le génome de toutes les cellules, mais l'expression des ARNm peut être différente selon les tissus
• De plus, suite à un épissage alternatif, plusieurs isoformes peuvent être générés, à partir d'un gène unique

Génothèque (banque, bibliothèque)

• Plus de 100 X 106 séquences pour environ 30,000 gènes → Séquences redondantes pour confirmation, expression et évolution
• Créée par plusieurs laboratoires, avec séquences de différents tissus et espèces

Clonage moléculaire

• Un fragment de restriction est inséré dans la coupure complémentaire faite par une enzyme de restriction dans un vecteur de clonage plasmide
• Les bouts cohésifs du vecteur et de l'ADN exogène s'associent et sont liés de façon covalente par la ligase, pour donner un ADN chimérique
• Le pool de vecteurs chimériques est introduit dans des bactéries par transformation
• Les bactéries se développent sur une gélose
• Le milieu de culture contient cependant un antibiotique correspondant au gène de résistance porté sur le vecteur de clonage
• Chaque cellule d'un clone est identique aux autres cellules du même clone et contient un plasmide
• La nature de l'ADN exogène porté par le plasmide peut être analysée par enzymes de restriction, séquençage de l'ADN et hybridation moléculaire

Analyse des séquences

• La première étape de l'analyse des séquences consiste à identifier le gène et la protéine et à interroger les génothèques pour trouver les clones correspondants à une séquence
• La deuxième étape permet de comprendre la fonction de la protéine, rechercher ses fonctions moléculaires, cellulaires et physiologiques

Processus des requêtes

• Soumission de la séquence à BLAST pour comparer avec génothèques et analyse des clones obtenus
• Interrogation des bases de données avec le nom du gène ou de la protéine
• Recherche des domaines fonctionnels, maladies génétiques et informations complètes à partir de la littérature

Introduction aux nucléotides

• Les nucléotides sont des substances biologiques qui participent à presque tous les processus biochimiques
• En particulier, les désoxyribonucléotides (dATP, dGTP, dCTP, TTP) sont utilisés pour la synthèse de l'ADN
• Les ribonucléotides (ATP, GTP, CTP, UTP) sont utilisés pour la synthèse des ARN, la régulation de voies métaboliques (ATP, GTP), la signalisation hormonale (AMPC, GMPC) et comme co-enzymes (nucléotides adénines)
• Une base azotée est liée au carbone C1' du résidu de sucre
• Sans groupe phosphate, la molécule est appelée « nucléoside »
• Les principaux composés puriques sont les résidus adénine et guanine
• Les principaux composés pyrimidiques sont ceux de la cytosine, de l'uracile et de la thymine

Nomenclature et structure des nucléotides

• Nucléotides sont esters phosphates de pentoses
• Le pentose est le D-ribose
• Une base azotée est liée en Cl' du sucre.
• Un groupe phosphate est présent en C3' ou C5' du pentose
• L'ADN possède en nombres égaux les résidus adénine et thymine et en nombres égaux les résidus guanine et cytosine (Ratios A/T et G/C ~ 1)
• La même règle s'applique à l'ARN double-brin
• Les acides nucléiques à simple-brin ne suivent pas les règles de Chargaff (Ratios A/T et G/C ≠ 1)

Informations générales concernant ADN

• La composition en bases d'un organisme donné est caractéristique et indépendante du tissu duquel l'ADN est extrait et de l'âge de l'organisme
• La composition en bases (G+C) varie parmi les êtres vivants

Structure Watson-Crick (ADN-B)

• Le point marquant de la biologie/biochimie moléculaire moderne
• Diamètre de 20 Å
• Les deux chaînes polynucléotidiques sont antiparallèles et sont jointes par complémentarité des bases
• 10.4 pb par tour, rotation par pb: 36°, Pas de l'hélice: 34 Å
• Le bord supérieur des paires de bases a une structure différente de celle du bord inférieur
• Les résidus désoxyriboses sont asymétriques
• L'angle entre un Cl' d'un nucléotide, l'axe de l'hélice et le C1' en face < 180° dans le petit sillon
• L'angle entre un Cl' d'un nucléotide, l'axe de l'hélice et le C1' en face > 180° dans le grand sillon
• Les paires de bases de l'ADN Z ont basculé de 180° par rapport à celles de l'ADN B à la suite de changements de conformation

ADN en résumé

• Les deux brins sont enroulés en une spirale droite autour d'un axe commun et sont anti-parallèles
• Les bases sont au centre et l'ossature phosphodiester est en serpentin à la périphérie
• L'axe de l'hélice est perpendiculaire aux bases et l'appariement des bases se produisent par ponts hydrogènes

ADN A

• Forme une hélice de pas à droite plus large et plus aplatie que l'ADN-B
• Diamètre: 26 Å, pb par tour: 11, rotation par pb: 33°, Pas de l'hélice : 28 Å
• Les paires de bases sont inclinées de 20° par rapport à l'axe de l'hélice
• Axe de l'hélice ne passe pas au travers des paires de bases, il y a formation d'un grand sillon très profond et d'un petit sillon très peu profond.
• Détecté lors de la sporulation

ADN Z

• Forme une hélice de pas à gauche
• Diamètre: 18 Å, pb par tour: 12, rotation par pb: 60°, Pas de l'hélice : 45 Å
• La formation locale de structure de type Z dans l'ADN agirait comme un déclic pouvant modifier l'expression des gènes
• Le sillon mineur est profond alors que le sillon majeur n'est pas apparent
• Le basculement des paires de bases qui conduit de la forme ADN-B en ADN-Z est obtenu par la rotation de chaque base purique autour de l'axe de la liaison glycosidique, passant de la conformation anti à syn
• Les pyrimidines sont toujours en conformation anti, mais ce sont la base et le sucre qui sont inversés dans l'ADN Z

Principales caractéristiques de l'ARN

• L'ARNm, l'ARN non codant, à l'ARN ribosomique, et à l'ARN de transfert
• L'ARN influence le rybozym, le miARN et le incARN
• Plusieurs espèces, peu d'acides nucléiques unis, peu d'acides nucléiques simple brin
• Les ribonucléoprotéines (RNP) contiennent aussi des histones et une régulation épigénétique

Diversité et structure de l'ARN

• En plus de l'ARNm impliqué dans le flux classique de l'information génétique, il est maintenant clair que l'ADN transcrit également plusieurs ARNs non-codant
• Les ARNt et ARNr sont impliqués dans la traduction
• Une nouvelle classe d'ARN a fait son entrée il y a quelques années à peine: les miARN et les longs ARN non-codants
• Ces molécules se lient aux ARNm et régulent leur expression post-transcriptionnelle (traduction, dégradation)
• Ce sont donc des facteurs importants dans le contrôle de l'expression génique
• D'autres ARN sont catalytiques (ribozymes). Finalement, plusieurs des protéines sont des co-facteurs de la traduction et/ou de la transcription

Structures d'ARN

• Les structures retrouvés dans l'ARN incluent des tiges/boucles, des hernies, et des boucles.
• L'ARN formait des régions double brin par appariements de nucléotides intramoléculaires.
• L'ARN formait également des structures tridimensionnelles

Domaines fonctionnels de l'ARNm

• Le plan du cours aborde les structures en double hélices ainsi que les mécanismes de liaison des acides nucléiques et des protéines pour moduler les fonctions d'ARN.
• Les avantages et fonctions de chaque ARN et son mécanisme d'action sont abordés
• Des séquences à l'intérieurs des ARNm permettant la liaison de protéines créant des domaines fonctionnels.

Rôles spécifiques des ARNs

• Les ARNs ribosomiques sont impliqués lors de l synthèses des protéines (plusieurs ARN et group protéines)
• L''ARNr peuvent s'encapsulé dans l'antidote et le codon et son impliqué lors de la transcription Les ARNs catalytiques (ribozymes) sont utilisé dans le contrôle d'expressions.