Module 12: Les acides nucléiques (PDF)

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Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Module 12 Les acides nucléiques Introduction En 1869, Friedrich Miescher, un biologiste suisse, découvrit dans le noyau des cellules une substance inconnue riche en azote et en phosphore qu’il baptisa « nucléine ». Cette nouvelle substance n’était ni d’origine protéique ni d’origine lipidique. Au XXe siècle, cette substance sera identifiée et nommée acide désoxyribonucléique (ADN). Le terme « acide nucléique » réfère généralement aux 2 types de polymères linéaires constitués de nucléotides : l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Les acides nucléiques forment une famille de biomolécules qui sont d’une importance capitale. Mais à quoi servent ces biomolécules? Spontanément, la plupart d’entre vous penseront à la fonction de l’ADN comme gardienne des caractères héréditaires, ce qui est tout à fait correct. Mais les acides nucléiques et les unités de construction qui les composent (les nucléotides et les nucléosides) peuvent aussi remplir d’autres fonctions biologiques. Voici la liste des fonctions possibles pour cette famille de biomolécules : Médiateur chimique o Nucléosides (adénosine) et nucléotides (AMPc) Source d’énergie o Nucléotides Cofacteur dans les réactions enzymatiques o Nucléotides et dinucléotides Rôle catalytique à la manière d’enzymes o Ribozymes (exemple : l’ARN dans le ribosome) Gardienne des caractères héréditaires o ADN Expression des caractères héréditaires o ARN Page 1 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 12.1 Les monomères : les nucléosides et les nucléotides Les monomères d’acides nucléiques sont relativement complexes. On les classe en 2 groupes : les nucléosides et les nucléotides. Les nucléosides sont formés d’une base azotée et d’un ose reliés par un lien β-N-glycosidique. Les nucléotides sont des esters phosphoriques de nucléosides; c’est pourquoi on les appelle généralement « nucléosides phosphate». Les différents nucléosides et nucléotides sont présentés dans la capsule 12.1 et le tableau 12.1. Les monomères d’acides nucléiques sont donc formés par la liaison de 2 ou 3 constituants : Une base azotée o Dérivée d’une purine ou d’une pyrimidine ▪ Pyrimidines (cytosine (ADN, ARN), uracile (ARN) et thymine (ADN)) ▪ Purines (adénine (ADN, ARN) et guanine (ADN, ARN)) Un monosaccharide o Ribose ou désoxyribose Un à 3 groupements phosphoryle o Seulement pour les nucléotides o Aucun groupement phosphoryle dans les nucléosides Tableau 12. 1: Nomenclature des bases, des ribonucléosides et des ribonucléotidesa. Ribonucléotide Base Ribonucléoside Ribonucléoside Ribonucléoside Ribonucléoside monophosphate diphosphate triphosphate AMP ADP ATP Adénine Adénosine Adénosine Adénosine Adénosine monophosphate diphosphate triphosphate GMP GDP GTP Guanine Guanosine Guanosine Guanosine Guanosine monophosphate diphosphate triphosphate UMP UDP UTP Uracile Uridine Uridine Uridine Uridine monophosphate diphosphate triphosphate TMP TDP TTP Thymine Thymidine Thymidine Thymidine Thymidine monophosphate diphosphate triphosphate CMP CDP CTP Cytosine Cytidine Cytidine Cytidine Cytidine monophosphate diphosphate triphosphate aPour la nomenclature des désoxyribonucléosides et des désoxyribonucléotides, il suffit d’ajouter le préfixe désoxy- avant le nom ou la lettre « d » en minuscule avant l’abréviation. Puisque la thymidine est presque toujours un désoxyribonucléoside, le préfixe « désoxy » n’est généralement pas utilisé. Page 2 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 12.2 Fonctions des nucléosides, des nucléotides, des dinucléotides et de leurs dérivés Les nucléosides et les nucléotides à l’état libre de même que les dinucléotides et leurs dérivés remplissent des fonctions de coenzymes dans la cellule (capsule 12.2), mais ils peuvent également servir de médiateur chimique ou encore de source d’énergie. Médiateur chimique Certains nucléotides possèdent une structure particulière dans laquelle un même groupement phosphate relie 2 carbones d’un même ose. On les appelle « nucléotides cycliques ». L’AMP cyclique (AMPc) constitue le meilleur exemple. Comme nous l’avons vu déjà vu, ce nucléotide joue le rôle de messager intracellulaire (second messager) dans certaines voies de transduction du signal (Module 11). Figure 12.1 : Structure de l’AMPc. Le même groupement phosphate est lié aux groupements hydroxyle en 3’ et en 5’ de l’ose. L’adénosine, un nucléoside, agit comme une hormone dans la régulation du sommeil. Lorsque le niveau d’adénosine augmente, la sensation de fatigue apparaît. La caféine combat la somnolence en bloquant les récepteurs neuronaux de l’adénosine. Source d’énergie Les nucléosides triphosphates (NTPs) sont la source d’énergie chimique par excellence de la cellule, en particulier l’ATP. Leurs liens anhydrides phosphoriques sont hautement énergétiques. Puisqu’ils en contiennent 2, les NTPs stockent une quantité appréciable d’énergie sous forme de liaison covalente. L’hydrolyse de ces liens permet de libérer l’énergie au moment approprié. Page 3 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 12.3 Les polymères de nucléotides : les acides nucléiques Les nucléotides peuvent former des polymères de différentes longueurs via la formation de liens phosphodiester. Dinucléotide 2 résidus de nucléotides Trinucléotide 3 résidus de nucléotides Décanucléotide 10 résidus de nucléotides Oligonucléotide Entre 10 et 50 nucléotides Polynucléotides (ARN ou ADN) Plus de 50 Dans les dinucléotides, on rencontre fréquemment un lien entre la position 5' de l’ose d'un des nucléotides et la position 5' de l'autre. Ces dimères de nucléotides remplissent des fonctions importantes dans la cellule en agissant comme coenzymes. Le terme « polynucléotide » est utilisé pour décrire les polymères dont les résidus sont réunis par des liaisons phosphodiester 3' - 5' (Figure 12.2). La formation de liens phosphodiester successifs entre plusieurs résidus de nucléotide résulte en un polymère linéaire. Les polynucléotides constitués de désoxyribonucléotides sont appelés acides désoxyribonucléiques (ADN), alors que ceux formés de ribonucléotides sont nommés acides ribonucléiques (ARN). Figure 12.2 : Liaison phosphodiester 3' - 5' unissant 2 résidus dans les polynucléotides (ADN ou ARN) (Moran, 2012). Page 4 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 12.4 L’ADN L’acide désoxyribonucléique est le support de l'information génétique chez toutes les cellules. Chez certains virus, l’ARN joue ce rôle. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est principalement situé dans le noyau, mais on retrouve aussi de l’ADN dans des organites comme les mitochondries et les chloroplastes (ADN mitochondrial et ADN chloroplastique). Le terme génome réfère à l’ensemble du matériel génétique d'un organisme vivant ou d’un virus. Chez les eucaryotes, le jeu complet des différentes molécules d’ADN qui sont présentes dans le noyau (autrement dit, l’ADN correspondant au jeu haploïde des chromosomes chez les organismes diploïdes) constitue le génome. Par convention, le génome d’un eucaryote ne comprend pas l’ADN mitochondrial et l’ADN chloroplastique. Ainsi, les génomes de toutes les cellules sont composés d’ADN double brin, alors que ceux de certains virus sont composés d’ARN. Un génome peut être contenu dans une seule molécule d’ADN, comme c’est le cas pour la majorité des bactéries. Tout comme les protéines, l’ADN possède plusieurs niveaux de structure. La structure primaire correspond à la séquence des résidus de nucléotides de la chaîne polynucléotidique. L’ADN est presque toujours sous forme dimérique (double brin, molécule bicaténaire) puisque les 2 chaînes polynucléotidiques s’associent habituellement pour former une double hélice. La structure de cette double hélice correspond à la structure secondaire de l’ADN. La taille des molécules d’ADN double brin est exprimée en nombre de paires de bases (pb en français, ou bp en anglais). Pour les molécules plus longues, cette mesure est donnée en kilopaires de bases (kb, 1 kb = 103 pb), mégapaires de bases (Mb, 1 Mb = 106 pb), ou gigapaires de bases (Gb, 1Gb = 109 pb). La taille du génome varie de quelques kb chez les virus à plusieurs centaines de milliers de Mb chez certains eucaryotes. Le génome de la bactérie Escherichia coli fait 4,6 Mb, le génome humain 3,200 Mb (ou 3,2 Gb). La taille du génome n’est pas nécessairement proportionnelle à la complexité d’un organisme. Par exemple, la plante herbacée Paris japonica a un génome qui est près de 50 fois celui du génome humain. Page 5 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Les structures primaires et secondaires de l’ADN sont décrites dans la capsule 12.3. Voici un résumé de la structure de la double hélice d’ADN : 1. L'ADN est constitué de 2 chaînes polynucléotidiques qui sont enroulées l’une sur l’autre pour former une hélice régulière. Cette structure hélicoïdale présente un petit et un grand sillon à sa surface. 2. Chaque adénine (A) d'un brin est appariée à une thymine (T) sur l'autre brin via 2 liens H, alors que chaque guanine (G) d'un brin est appariée à une cytosine (C) sur l'autre brin via 3 liens H (Figure 12.3). 3. Les paires de bases sont empilées les unes sur les autres à l'intérieur de la double hélice, tandis que le squelette ose-phosphate est à l’extérieur. 4. Les 2 brins de l’hélice d’ADN sont antiparallèles et complémentaires. Figure 12.3 : Appariement des bases dans la double hélice d’ADN par la formation de liens hydrogène (Nelson, 2021). Page 6 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Pour ce qui est des structures tertiaire et quaternaire de l’ADN, la situation est plus complexe. Il faut beaucoup d’information pour fabriquer une cellule. Si on déroule et enchaîne tous les brins d’ADN, la longueur réelle de l’ADN contenu dans les 1014 cellules diploïdes d’un humain est de 2 x 1011 km, soit 50 fois la distance de la Terre au Soleil! Il va de soi que l’ADN doit être fortement compacté dans le noyau. Cela se fait à l’aide de protéines qui emballent l’ADN sous forme de nucléosomes, lesquels sont ensuite emballés dans des structures plus grandes, qui à leur tour sont aussi emballées en structures plus grandes, pour finalement aboutir aux chromosomes (Figure 12.4). Figure 12.4 : Compaction de l’ADN pour former un chromosome (Nelson, 2013). 12.4.1 Dénaturation et renaturation de l’ADN On appelle dénaturation de l’ADN le processus par lequel les 2 brins d’ADN se séparent complètement suite aux bris des liaisons hydrogène et des interactions hydrophobes (Figure 12.5). La dénaturation de l’ADN n’a pas lieu dans les cellules, mais elle peut être provoquée in vitro. Les agents utilisés pour séparer les brins d’ADN sont la chaleur, un pH élevé, ou un agent chaotropique comme l’urée. Page 7 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 12.5 : Le processus de dénaturation de l’ADN entraîne la séparation des 2 brins de l’hélice. Ce mécanisme est réversible (Nelson, 2021). Il est possible de renaturer un ADN qui a été dénaturé complètement par la chaleur. Lorsque la solution d’ADN est refroidie lentement suite à la dénaturation, les paires de bases se reforment correctement. Par contre, lorsque la solution est refroidie rapidement (ex. en plaçant le tube contenant l’ADN sur la glace), les liaisons H entre les bases se reforment de façon non spécifique, produisant une structure désordonnée. Plusieurs techniques d’analyse d’ADN sont basées sur la dénaturation et la renaturation de l’ADN. Les études de dénaturation thermiques ont permis d’obtenir d’importantes informations sur les propriétés de la double hélice. Dans ces études, la dénaturation de l’ADN est suivie en mesurant l’absorbance de la lumière UV à 260 nm (Figure 12.5). Lorsqu’on reporte les valeurs d’absorbance de l’ADN en fonction de la température, on obtient une courbe sigmoïde appelée courbe de fusion. Comme on le sait, ce sont les bases qui sont responsables de cette absorbance caractéristique. L’absorbance d’une solution d’ADN est augmentée fortement lors d’une augmentation de température. Ce phénomène, appelé l’effet hyperchrome ou l’hyperchromicité, s’explique par le fait que les bases dans l’ADN double brin (ou bicaténaire) absorbent environ 40 % moins de lumière UV que les bases dans l’ADN simple brin (monocaténaire). L’empilement des bases à l’intérieur de la double hélice diminue leur capacité à absorber les rayons UV. Page 8 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement A B Figure 12.5 : A) Courbe de fusion d’un ADN (Horton, 2006). B) Absorption des UV par l’ADNsb et l’ADNdb à différentes longueurs d’onde. La forme sigmoïde de la courbe de fusion démontre que la dénaturation est un processus hautement coopératif. Les liens H à l’intérieur de la double hélice sont plus stables que les liens H en milieu aqueux parce qu’ils sont à l’intérieur de la zone hydrophobe. Le bris des premières liaisons H entre les 2 brins demande plus d'énergie, puisque la structure de la double hélice est stable. Lorsque les premières liaisons H sont brisées, l'intérieur de l'hélice devient plus accessible aux molécules d'eau, ce qui facilite la rupture des liens adjacents. On dit que la dénaturation est coopérative parce qu'à partir du moment où le processus de dénaturation est amorcé, la vitesse de bris des liaisons s'accélère. La température de fusion ou Tm (m pour « melting temperature) est la température correspondant à la moitié de l’augmentation d’absorbance observée, ou autrement dit à la température pour laquelle 50 % de l’ADN est dénaturé (Figure 12.6). La Tm d'un ADN est intimement liée à sa composition en bases (A, T, C et G); en fait, cette valeur est directement proportionnelle au contenu en G+C. Cela s’explique en partie par le fait que le nombre de liens H est plus important entre les bases G et C qu’entre les bases A et T. Plus le % G+C est élevé, plus les liens H sont nombreux; donc, plus la température de fusion est élevée. La composition en bases de l’ADN varie selon l’espèce. Le contenu en bases est souvent exprimé en pourcentage de guanine et de cytosine (% G+C). Par exemple, le contenu G+C du génome humain est de 39,8 %. Page 9 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement A B Figure 12.6 : A) Courbes de fusion de 3 ADNs ayant des contenus en G+C différents. B) Température de fusion en fonction du contenu en G+C. Dans les cellules, les brins de l’ADN ne se séparent jamais complètement; par contre, certaines régions sont dénaturées dans certains processus biologiques. Par exemple, lorsque l’ADN est dupliqué ou converti en ARN, il y séparation locale des brins (ou dénaturation locale), Il est alors plus facile de séparer les brins des régions qui sont plus riches en paires de bases A/T qu’en paires de bases G/C. 12.5 Dogme central de la biologie moléculaire Comme nous l’avons déjà vu dans le module 1, le dogme central de la biologie moléculaire décrit le flux de l’information génétique dans la cellule. L’ADN, qui contient l’information génétique, est d’abord transcrit en ARN, puis cet ARN est traduit en protéine (Figure 12.7A). Même si cela correspond en grande partie à la façon dont est exprimée l’information génétique dans une cellule, cette description est un peu simpliste. La figure 12.7B représente une version plus réaliste. A ADN → ARN → Protéine B Figure 12.7 : Dogme central de la biologie moléculaire. A) Version traditionnelle simplifiée. B) Version plus réaliste du flux de l’information génétique dans une cellule. Page 10 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement La réplication est le processus par lequel l’ADN est dupliqué avant la division cellulaire. La transcription est le processus permettant de copier différents segments de l’ADN en ARNs (ARNs = ARN au pluriel). Il existe plusieurs classes d’ARN (section 12.6), dont l’une comprend les ARN messagers (ARNm). La traduction est le processus par lequel les molécules d’ARNm sont converties en protéines. Certains organismes ont la capacité de transformer leurs ARNs en ADN; on parle alors de rétrotranscription. Les séquences d’ARN ne sont jamais produites à partir d’une matrice protéique. C’est une caractéristique très importante du « dogme central ». Le code génétique permet de traduire la séquence primaire d’une molécule d’ARNm en protéine. Ce code établit une correspondance entre un triplet de nucléotides, appelé codon, sur l’ADN (ou sur l'ARNm qui en dérive) et un acide aminé qui sera ajouté à la chaîne polypeptidique en cours de synthèse. Cette correspondance codon-acide aminé permet de résumer le code génétique sous forme d’un tableau (Figure 12.8). Sauf pour quelques rares exceptions, le code génétique est universel, c’est-à-dire que c’est le même pour tous les êtres vivants et les virus. A B TRANSCRIPTION TRADUCTION Figure 12.8 : A) Le code génétique standard. Le codon d’initiation est encerclé en vert et les codons de terminaison en rouge. Ce tableau n’est donné qu’à titre d’exemple et n’est pas à mémoriser. B) Séquence primaire d’un segment d’ADN ainsi que celle du transcrit et du peptide correspondants. Page 11 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Des 64 (4X4X4) codons possibles, 61 spécifient les 20 acides aminés permettant la synthèse des protéines (c’est-à-dire les acides aminés standards ou protéogéniques). On appelle « codons synonymes » 2 ou plusieurs codons codant pour le même acide aminé. On dit que le code génétique est dégénéré, puisque plus d’un codon peut coder pour le même acide aminé. Cela est possible parce que des ARNt reconnaissant des codons distincts peuvent porter le même acide aminé. Par exemple, dans la première colonne du tableau, on peut voir qu’il existe 2 codons différents codant pour l’ajout d’une phénylalanine et 6 codons différents codant pour l’ajout d’une leucine. Le codon AUG, codant pour la méthionine, est le codon d’initiation de la traduction; ainsi, la plupart des protéines contiennent une méthionine à leur extrémité N-terminale. Les codons STOP, aussi appelés codons de terminaison ou codons non-sens, entraînent l’arrêt de la synthèse de la chaîne polypeptidique. 12.6 L’ARN Comme nous l’avons vu précédemment, l’ARN est constitué de ribonucléotides et non pas de désoxyribonucléotides. Les ARNs sont des molécules monocaténaires (un seul brin) par opposition à l'ADN qui est bicaténaire. Une autre différence importante entre l’ARN et l’ADN concerne la taille. Les molécules d’ARN sont beaucoup plus courtes que l’ADN : elles varient de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides. Bien qu’elles ne possèdent pas une structure secondaire bien conservées comme la double hélice d’ADN, les molécules d'ARN peuvent se replier sur elles-mêmes et former des régions hélicoïdales, conférant ainsi une structure tridimensionnelle précise à certains types d’ARN. Ces régions en double hélice se forment à l’aide de liaisons H intracaténaires (Figure 12.9). Contrairement à l’ADN qui n’a principalement qu’une seule fonction, les ARNs ont des fonctions très variées. Il y a 3 types majeurs d'ARN dans la cellule : o ARNs ribosomaux (ARNr) (80 % des ARNs cellulaires) o ARNs de transfert (ARNt) (15 % des ARNs cellulaires) o ARNs messagers (ARNm) (3 % des ARNs cellulaires) Page 12 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 12.9 : Exemple de structures secondaires pour l’ARN (Nelson, 2013). Cet ARN provenant d’E. coli est une composante de l’enzyme RNase P. Un ARNm contient l’information requise pour fabriquer une protéine particulière. Il est synthétisé à partir de la région de l’ADN qui correspond au gène codant cette protéine. Il est ensuite traduit en peptide par des ribosomes. Comment la cellule fait-elle pour savoir quelle région de l’ADN il faut utiliser? Quand faut-il le faire? Combien de copies d’ARNm sont requises? C’est là le domaine de la biologie moléculaire. Les ARNr sont des composants structuraux et fonctionnels des ribosomes. Le ribosome est le complexe autour duquel s’articule toute la machinerie nécessaire pour traduire l’information portée par l’ARNm messager en une protéine. Les ribosomes sont en fait des complexes nucléoprotéiques formés de trois molécules d’ARNr associées avec environ 80 protéines. L’une des 3 molécules d’ARNr a une activité catalytique; c’est donc un ribozyme. Les ARNt sont de petites molécules qui participent à la traduction. Ils permettent d’établir la concordance entre la séquence nucléotidique de l’ARNm et la séquence en acides aminés de la protéine qui sera synthétisée à partir de ce messager. Ils se lient aux acides aminés et les acheminent aux ARNm localisés sur les ribosomes. Pour chacun des 20 acides aminés, on compte au moins un ARNt. Des ARNt différents peuvent porter le même acide aminé. Page 13 Module 12  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Les ARNs restants (2 %) appartiennent à la catégorie des ARNs non-codant (ncRNAs, en anglais). Il s’agit d’un groupe hétérogène comprenant plusieurs types d’ARN. Leurs fonctions cellulaires sont très diversifiées : ils interviennent dans la modification et la maturation d’autres ARNs de même que dans la régulation de l’expression génétique. Certains exercent un rôle de défense en protégeant les cellules contre les infections virales. Bibliographie Horton, H. R., L. A. Moran, K. G. Scrimgeour, M. D. Perry et J. D. Rawn. 2006. Principles of biochemistry, Fourth edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 0- 13-145306-8. Moran, L. A., Horton, H. R., K. G. Scrimgeour et M. D. Perry. 2012. Principles of Biochemistry, 5th edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-3217-0733-8. Watson, J., Baker, T., Bell, S., Gann, A., Levine, M., Losick, R. 2009, Biologie moléculaire du gène. Édité par Pearson Education France. ISBN 978-2-7440-7348-9 Page 14 Module 12