Cours ac.nucliques 2024 PDF

Royaume du Maroc INSTITUT AGRONOMIQUE ‫معهد الحسن الثاني للزراعة‬ ET VÉTÉRINAIRE HASSAN II ‫والبيطرة‬ Structure des acides nucléiques & relations structure / fonction Cours de deuxième année vétérinaire Pr. EL KAMLI Taha...

Royaume du Maroc INSTITUT AGRONOMIQUE ‫معهد الحسن الثاني للزراعة‬ ET VÉTÉRINAIRE HASSAN II ‫والبيطرة‬ Structure des acides nucléiques & relations structure / fonction Cours de deuxième année vétérinaire Pr. EL KAMLI Taha  Objectifs 1. Connaître la structure des acides nucléiques; 2. Savoir reconnaître les molécules simples dont ils sont constitués; 3. Connaître leurs fonctions dans l’expression génétique…  Plan du cours INTRODUCTION HISTORIQUE COMPOSITION DES ACIDES NUCLEIQUES STRUCTURES DES ACIDES NUCLEIQUES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DES ACIDES NUCLEIQUES INTERET DE L’ETUDE DE LA STRUCTURE DES ACIDES NUCLEIQUES APERÇU SUR LA TRANSCRIPTION : DE L’ADN A L’ARN 01/11/2024 3  De toute les réalisations scientifiques majeures du dernier quart du 20eme siècle, il semble assuré que la découverte du codage de l’information génétique le long de la chaine d’une molécule polymère composés de seulement 4 types d’unités monomères restera la découverte la plus importante de ce siècle. Cette molécule polymère, l’ADN est la base chimique de l’héridité.  INTRODUCTION Les acides nucléiques représentent l’une des classes de macromolécules de la cellule (avec les glucides, les lipides et les protéines). Ils fournissent les informations nécessaires au développement de la vie. Ils sont responsables de la transmission du patrimoine génétique de génération à génération et contrôlent la fabrication des protéines nécessaires à la vie. Il existe deux classes d’acides nucléiques : l’Acide DésoxyriboNucléique (ADN) et l’Acide RiboNucléique (ARN).. 01/11/2024 5  Les acides nucléiques Les acides nucléiques ont été isolés initialement des noyaux des cellules. On peut en distinguer deux grands types: o les acides désoxyribonucléiques (ADN): essentiellement localisés dans le noyau des cellules o les acides ribonucléiques (ARN): essentiellement localisés dans le cytoplasme cellulaire. 01/11/2024 6 01/11/2024 7  Les acides nucléiques de toutes les cellules animales et végétales sont constitués d'un polymère d'unités monomériques (molécules de bases) appelées nucléotides. 01/11/2024 9 Le nucléotide est constitué de : a. Un à trois résidus d'acide phosphorique (P) b. Un sucre (S) (pentose) : ribose ou désoxyribose c. Une base azotée (B) 01/11/2024 10  Les sucres Les sucres qui entrent dans la composition des acides nucléiques sont le ribose (β-D-ribose) pour l’ARN et le désoxyribose (β-D-2’-désoxyribose) pour l’ADN. Le désoxyribose est dérivé du ribose par une réduction de la fonction alcool secondaire du carbone n°2. Le désoxyribose confère à cet acide nucléique une plus grande stabilité propre à sa fonction de conservation de l’information génétique. Le désoxyribose est dépourvu du groupement hydroxyle (-OH) au niveau de son deuxième carbone (2’). 01/11/2024 11 Les sucres 01/11/2024 12 Ribose, désoxyribose 01/11/2024 13  Bases azotées Deux groupes de bases azotées sont retrouvés dans les acides nucléiques : les bases pyrimidiques constituées d’un seul cycle et les bases puriques de deux cycles. Les atomes des bases sont numérotés de 1 à 9 pour les bases puriques ou de 1 à 6 pour les bases pyrimidiques afin de ne pas les confondre avec les atomes du pentose qui sont numérotés avec des ’ Elles résultent de la substitution des atomes d`hydrogène de l`hétérocycle par des radicaux hydroxyles amines ou méthyles ou cétones. 01/11/2024 14  Bases pyrimidiques ou pyrimidines Les principales bases pyrimidiques dérivent de la pyrimidine qui est constituée d’un seul noyau aromatique à 6 atomes (4C et 2N). Les pyrimidines qui existent dans les acides nucléiques sont : la cytosine (C), la thymine (T) et l’uracile (U). La cytosine entre dans la composition de l’ADN et l’ARN, alors que la thymine n’existe que dans l’ADN et l’uracile que dans l’ARN. 01/11/2024 15 01/11/2024 16 Bases pyrimidiques Noyau pyrimidique et 1 cycle aromatique. Cytosine = Fonction amine NH2, Thymine= fonction méthyle CH3, Uracile= ne contient ni NH2 ni CH3 01/11/2024 17  Bases puriques ou purines Les bases puriques sont constituées de deux noyaux hétérocycliques contenant 4 atomes d’azotes. Les principales purines sont l’adénine (A) et la guanine (G) qui entrent dans la composition de l’ADN et l’ARN. 01/11/2024 18  Bases puriques Les bases puriques: Adénine et Guanine sont les principales purines rencontrés chez les êtres vivants. Bases azotés puriques:  Adénine = Noyau purine avec 2 cycle aromatique.  La Guanine = comporte une molécule d’oxygène 01/11/2024 20  Bases mineures Molécules d'intérêt biologique, ces bases sont mineures par leurs quantités mais sont importantes physiologiquement: 1. Dérivés puriques et pyrimidiques synthétiques = agents de chimiothérapie. Les analogues des noyaux puriques et pyrimidiques réalisées par synthèse trouvent beaucoup d’application en médecine. 01/11/2024 21 2- Des végétaux contiennent d’autres bases puriques contenants des substituants méthylés en particulier des méthylxanthines qui possèdent des propriétés pharmacologiques. Elles ont des propriétés stimulantes. Exemples: Caféine (café):1,3,7- Theobromine (cacao):3,7- Theophyline (thé):1,3- triméthylxanthine dimethylxanthine dimethylxanthine 01/11/2024 22  Les phosphates Les phosphates sont normalement reliés à l’hydroxyle en C5 d’un sucre, le ribose ou le désoxyribose (désigné par 5’). Les mono-, les di- et les triphosphates sont fréquents. C’est le phosphate qui rend le nucléotide négativement chargé. 01/11/2024 23 01/11/2024 24 Les phosphates 01/11/2024 25  Nucléosides L’association d’un pentose et d’une base azotée constitue un nucléoside. Ils sont reliés par une liaison covalente appelée liaison N-osidique qui s’effectue entre le carbone 1' du pentose et l’azote N1 des pyrimidines ou l’azote N9 des purines. 01/11/2024 26 01/11/2024 27 01/11/2024 28  Nucléotides Ce sont des esters-phosphates de nucléosides, qui se forment par la liaison d’un, deux ou trois groupements phosphate au pentose (au niveau du carbone 5’) d’un nucléoside. 01/11/2024 29 01/11/2024 30  Nucléotides Bien que le rôle principal des nucléotides soit le stockage et la libération de l’information biologique, certains nucléotides peuvent intervenir dans le transfert à court terme de l’énergie. Ils transportent l’énergie dans leur liaison phosphoanhydre (entre 2 molécules d’acide phosphorique) facilement hydrolysée. Exemple : l’ATP : utilisé pour transporter l’énergie dans des centaines de réactions cellulaires. La formation de l’ATP, énergie-dépendante, à partir de l’ADP et de phosphate inorganique est couplée à l’oxydation libératrice d’énergie des denrées alimentaires (dans les cellules animales, les champignons et certaines bactéries) ou à la capture de l’énergie lumineuse (dans les cellules végétales et certaines bactéries). L’hydrolyse de cette ATP en ADP et phosphate inorganique fournit à son tour l’énergie pour effectuer de nombreuses réactions cellulaires. 01/11/2024 31 01/11/2024 32 Nucléotides 01/11/2024 33  Nomenclature des nucléosides et nucléotides On indique la position du phosphate dans le nucléotide par un chiffre. Le signe « prime» sert à différencier une position numérotée dans le sucre d’une position numérotée dans la base purique ou pyrimidique laquelle ne serait pas suivie du signe prime. Exemple: si le groupement phosphate est lié à l’adénosine sur la position 5 du sucre (ribose) = Adénosine 5’ phosphate (A5’P) on peut avoir aussi (A3’P) et (A2’P). Un nucléotide de la 2-désoxyribonuclésine avec le phosphate attaché au C position 5 du sucre sera désigné = 2- desoxyadenosine-5’-phosphate NB: On désigne les abréviation A, G, C, T, U pour désigner les bases. On utilise aussi MP, DP, TP selon qu’il s’agissent d’une, deux ou trois phosphates attachés au sucre.  Les noms des nucléosides se terminent par : - "osine" pour les nucléosides puriques - "idine" pour les nucléosides pyrimidiques Les noms des nucléosides et nucléotides qui contiennent le désoxyribose commencent par "désoxy" ("d" dans les abréviations). Nomenclature des nucléosides Nitrogenous base Ribonucleoside Deoxyribonucleoside Adenosine Desoxyadenosine Adenine Guanosine Desoxyguanosine Guanine Désoxythymidine Thymine thymidine Uridine Uracil ………. Cytosine Cytidine Desoxycytidine Nucléosides  Dérivés de l’Adénosine : Nucléotide : AMP Liaison ester Adénosine mono phosphate Les nucléotides sont composés de 1, 2 ou 3 phosphates inorganiques et ils peuvent former 2 types de liaisons= 1- liaison ester entre le sucre et phosphate alpha 2- et des liaisons anhydride d’acide entre phosphates, cette liaison est riche en énergie= càd elle libère de l’énergie quand elle s’hydrolyse par une enzyme  AMP cyclique cAMP = 3’-5’-adénosine monophosphate est un dérivé important de l’Adénosine présent dans la plupart des cellules des animaux. Le cAMP sert de médiateur à une série de signaux extracellulaires variés de grande importance pour la bonne marche de l’organisme dans son ensemble. cAMP est formé à partir de l’ATP, la réaction est catalysée par un enzyme l’adenylate cyclase.  ATP et ADP ATP et ADP sont des composés importants à cause de leur participation à la phosphorylation oxydative et dans le cas de l’ATP, comme source de phosphates à haute énergie nécessaire à presque toutes les réactions cellulaires demandant de l’énergie. NB: la phosphorylation oxydative est le processus permettant la phosphorylation de l'ADP en ATP grâce à l'énergie libérée par l'oxydation de donneurs d'électrons par la chaîne respiratoire. Nucléotide : ATP Liaison Phospho - ester Dérivés de la Guanosine Nucléotide : GMP  Les dérivés de la guanosine particulièrement la GDP et GTP souvent dans plusieurs systèmes requérant de l’énergie, ils sont des analogues de l’ADP et ATP. Par exemple l’oxydation de l’acide alpha – cétoglutarique en succinyl-CoA dans l’acide tricarboxylique fait intervenir une phosphorylation oxydative avec le transfert d’une phosphate au GDP pour former le GTP. Le GTP est nécessaire à l’activation de l’adényl cyclase par quelques hormones et sert comme source d’énergie pour la synthèse protéique. Nucléotide : CMP Dérivés de l’Uridine Nucléotide UMP  Les dérivés nucléotidiques de l’uridine sont important coenzymes dans les réactions impliquant la polymérisation des sucres pour former l’amidon et les partis oligosaccharides de glycoprotéine. Dans ces réactions les substrats sont des Uridine-diphospho-sucres. L’Uracile participe aussi à la formation de composés phosphorylés à haute énergie, composés analogues à l’ATP et au GTP. Uridine triphosphate (UTP) qui intervient dans les réactions de conversion du galactose en glucose avec formation de l’UDP et UDPglc L’UTP est le précurseur pour la polymérisation des nucléotides de l’uridine en RNA.  Les nucléotides vitaminiques: La partie fonctionnelle de plusieurs vitamines sont des nucléotides ayant des structures analogues aux nucléotides puriques et pyrimidiques. La vit B2 Riboflavine agit comme FAD (La flavine adénine dinucléotide est une coenzyme d'oxydo-réduction dérivant de la riboflavine) La Niacine (Vit B3) est un constituant de 2 coenzyme: o Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) o Le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) un dérivé biologiquement actif de la cabalamine (Vit B12) requiert le rattachement d’une partie 5’desoxyadénoyle par le C5’ au cobalt.  Les nucléotides : coenzymes La flavine adénine dinucléotide (FAD) est un cofacteur d'oxydo- réduction dérivant de la riboflavine (vitamine B2).... Il est associé aux enzymes de la classe des oxydo-réductases.  Les nucléotides : coenzymes Les coenzymes nicotinamide NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) et NADP (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), deux cofacteurs de réactions d'oxydoréductions. NAD+ est un agent d'oxydation et NADH (associé à proton H+), un agent de réduction. Le système NADH/H+ a pour fonction de transférer des électrons. Enzyme NAD kinase (NADK)  Il est donc clair que les nucléosides et les nucléotides puriques et pyrimidiques accomplissent différentes fonctions dans l’organisme vivants en plus de fournir les monomères des acides nucléiques dans la cellules.  Les Acides Nucléiques Acide désoxyribonucléique (ADN) Vers l’extrémité 5’ (début) Liaison ester 5’ Purines Vers l’extrémité 3’ (fin) Pyrimidines Liaison ester 3’  Acide Ribonucléique (ARN) Vers l’extrémité 5’ (début) Liaison ester 5’ Purines Vers l’extrémité 3’ (fin) Pyrimidines Liaison ester 3’  Un acide nucléique est formé par polycondensation de nucléoside mono phosphate. Les nucléotides sont rattachés entre eux par des liaisons phosphoester entre un carbone 3’ et un carbone 5’. On nome cette partie un pont phosphodiester car le phosphate est engagé dans 2 liaisons phosphoester. Par convention on lit cette séquence de 5’ à 3’. On repère le début de la séquence grâce au phosphate libre du carbonne 5’ du premier nucléotide et la fin de la séquence grâce à la fonction oh libre du carbonne 3’ du dernier nucléotide.  Etude particulière de l’ADN La composition en bases des ADN est caractéristique d’une espèce donnée, on constate que:  Les ADN provenant de différents tissus d’une même espèce ont la même composition en base;  La composition en bases des ADN varie d’une espèce à l’autre;  La composition en bases des ADN d’une espèce donnée ne change ni avec l'âge, ni avec l’état nutritionnel, ni avec des modification de l’environnement;  Les ADN d’espèces proches ont des compositions en bases similaire, tandis que ceux d’espèce très éloignés présentent des compositions en base différentes.  3’ 5’ 3’ 5’  Hybridation A-T Les brins d’ADN identiques sont antiparallèles et complémentaire via des liaisons hydrogènes. Adénine complémentaire avec thymine Notez que l’Adénine et la thymine ne forment que 2 liaisons hydrogène  Hybridation G-C Guanine complémentaire avec cytosine Notez que la guanine et cytosine peuvent former 3 liaisons hydrogène  Equivalence des bases Dans presque tous les ADN étudiés, le nombre de résidus Adénine est = au nombre de résidus Thymine (A=T), et le nombre de résidus Guanine est = au nombre de résidus Cytosine (G=C). On peut en déduire que la somme des bases puriques est = à la somme des bases pyrimidiques. A+G=C+T.  L’information génétique contenus dans l’ADN réside dans la disposition des monomères (l’ordre des unités), il doit donc exister un mécanisme reproduisant ou répliquant cette information spécifique avec grande fidélité. Cette exigence associée aux données de la diffraction de rayon X, ont conduit Watson ,Crick et Wilkins à proposer au début des années 50 le modèle d’une molécule ADN à doubles brins Modèle de watson ,crick et wilkins  Sens de lecture d’un acide nucléique Par convention, on lit toujours un acide nucléique de l’extrémité 5’ (groupement phosphate) vers l’extrémité 3’ (OH libre). on indique seulement La séquence des bases d’un ADN (A, T, G ou C), en précisant les extrémités 5’ et 3’. Les 4 nucléotides de l’ADN avec les 4 bases (A, T, G ou C), se combinent en une infinité de séquences de la même manière que les 7 notes de musique composent une infinité de symphonies.  5’ 5’ 3’ 3’  Les polymères de nucléotides La molécule d’ADN est constituée en règle de deux chaînes (ou brins) de nucléotides. Les molécules d’ ARN sont le plus souvent sous forme d’un seul brin  La double hélice d’ADN Dans l’espace les deux brin d’ADN antiparallèles complémentaire présentent une configuration hélicoïdale. Elles s’enroulent autour d’un axe imaginaire pour constituer une double hélice à rotation droite (dans les formes A et B de l’ADN)  La forme A de l’ADN La double hélice peut prendre 3 formes selon son hydratation, sa séquence, le taux de surenroulement, les modifications chimiques des bases, de la nature et de la concentration des ions métalliques en solutions. Elles sont appelées les formes A, B et Z (pour Zig zag) Les trois formes d’hélices d’ADN, A, B et Z  La forme A de l’ADN La double hélice peut prendre 3 formes selon son hydratation, sa séquence, le taux de surenroulement, les modifications chimiques des bases, de la nature et de la concentration des ions métalliques en solutions. Elles sont appelées les formes A, B et Z (pour Zig zag) Les trois formes d’hélices d’ADN, A, B et Z  Types d’ADN Nucléaire: se trouvant à l’interieur du noyau Mitochondrial: ADNm qui se trouve dans la mitochondrie. Se compose de gène pour former des protéines nécessaires dans la respiration cellulaire. ADN chloroplastique: porte des gène pour la fabrication des protéines responsable de la photosynthèse.  Structure de l’ARN L ’ARN est structuré en simple brin qui peut se replier en suivant la règle de complémentarité des bases. L’un des éléments de structure ainsi formé, qui joue un rôle important dans les fonctions biologiques des ARN, est l ’épingle à cheveux ( hairpin ).  Forme d’ Epingle à cheveux (hair-pin loops) Les nucléotides des acides ribonucléiques peuvent quelquefois s’auto-hybrider en formant des structures secondaires. Epingle à cheveux  Types d’ARN ARN messagers (ARNm): est un produit de la transcription et un modèle de la traduction ARN ribosomiques (ARNr) : Le plus abondant qui fait partie de la structure du ribosome ARN de transfert (ARNt): Intervient dans la traduction  ARN messager (ARNm): agissent comme messagers transmettant l’information d’un gène au système de la synthèse pratique. ARN de transfert (ARNt): comportent approximativment 75 nucléotides et un poids moléculaire de PM= 25000. les ARNt servent d’adaptateurs pour la traduction en A.A spécifiques de l’information continue dans la séquence nucléotidique du ARNm. Il y a au moins 20 molécules de ARNt dans chaque cellule, une pour chacun des 20 A.A requis pour la synthèse protéique. ARN ribosomique (ARNr): Le ribosome est la particule universelle qui décode l'information génétique transcrite en ARN messager (ARNm) pour synthétiser les protéines qui assurent les fonctions essentielles des cellules.. Les fonctions des ARNr n’est pas entièrement comprise mais les molécules semblent jouer des rôles dans la liaison de ARNm aux ribosomes et à sa structure.  Représentation simplifié de l’ARN Il existe une schématisation courante de la structure covalente et de la séquence des bases d’une chaine polynucléotidique. Les nucléosides de l’ARN sont symbolisé par A,U,G,C alors que ceux de l’ADN par dA,dT,dG,dC. Ce shéma est utilisé pour idiquer la coupure des liaisons spécifiques durant l’hydrolyse chimique ou P P P enzématique des acides nucléiques. Cette hydrolyse séléctive des polynucléotides représente une étape essentielle dans la détérmination des séquences des bases dans les acides nucléiques.  Réplication de l’ADN L’ADN doit être dupliqué pour permettre aux cellules de se diviser permettant ainsi la croissance de l’organisme, la réparation et le remplacement de cellules mortes.  Puisque les deux brins de l’ADN sont complémentaires l’un à l’autre, on peut supposer que la réplication de l’ADN au moment de la division cellulaire résulte d’une séparation des deux brins suivi de la synthèse, au niveau de chacun des brins, d’un brin complémentaire néoformé. Le résultat final d’un tel processus est la formation de deux molécules fille d’ADN, identique à l’ADN parental et contenant chacune un brin d’origine parental  La réplication se fait selon un mode “semi- conservateur” Chaque nouvelle molécule à double hélice contient un brin parental d’origine et un brin nouvellement formé  ARN L’ARN natif existe sous forme d’une molécule à un brin (monocoténaire). Dans tous les organismes existe trois classes principales de molécules d’ARN. ARN messager (ARNm) ARN de transfert (ARNt) ARN ribosomique (ARNr) Chaque classe diffère des autres par la taille et la fonction.  Hydrolyse des poly nucléotides 1. Hydrolyse par les acides et bases Hydrolyse acide douce de l’ADN produit une coupure des liaisons βosidique entre les bases puriques et le désoxyribose. L’ADN n’est pas hydrolysé par les bases (car pas de OH en 2’nécessaire à l’hydrolyse alkaline), mais la soude diluée produit à partir de l’ARN un mélange de nucléosides 2’ phosphate et nucléosides 3’ phosphate 2. Hydrolyse enzymatique Importante pour déterminer la séquence des nucléotides. On distingue deux types d’enzymes a et b hydrolysant les liaisons phosphodiester de l’ADN.  Enzymes type a hydrolisent spécifiquement la liaison ester entre acide phosphorique et un OH 3’ (liaison a). Enzymes type b hydrolysent entre l’acide phosphorique et hydroxyle 5’. Les exonucléases sont des enzymes qui fonctionnent en coupant les nucléotides un par un de l'extrémité terminale (exo) d'une chaîne polynucléotidique. Ces enzymes catalysent une réaction d'hydrolyse qui casse les liaisons phosphodiester à l'extrémité 3′ ou 5′.  Hélicase et Gyrase Plusieurs étapes-clés 1. l’enzyme hélicase sépare les deux brins en utilisant l’ATP comme source d’énergie 2. L’enzyme gyrase (ou topoisomèrase) porte assistance en empêchant que des plis et des nœuds se forment dans d’autres régions de la molécule d’ADN. Elle peut réaliser des petites brisures afin de limiter le stress sur la molécule puis en rejoindre les extrémités.  ADN polymérase 3. L’ADN polymérase est responsable de la formation des nouvelles liaisons sucre-phosphate entre les nucléotides.  Pour accomplir ceci, l’enzyme a besoin d’un brin déjà existant d’ADN à partir duquel il peut copier Doit s’attacher à une courte région d’ADN appelée amorce (primer) Une amorce est une courte séquence d’ARN qui a été connectée au brin d’ADN par l’enzyme ARN primase Sa fonction est de permettre au processus de réplication de commencer On peut la comparer à l’extrémité d’une fermeture-éclair par laquelle on commence la fermeture  Nucléotides ajoutés 5’ à 3’ 4. Un brin d’ADN possède une extrémité appelée 3’ et une extrémité 5’. L’extrémité 3’ possède un groupement hydroxyle (OH) comme dernier groupe. L’extrémité 5’ possède un groupement phosphate (PO4) comme dernier groupe. Les nucléotides peuvent seulement être ajoutés à l’extrémité 3' OH du brin donc la réplication se fait toujours dans la direction 5' vers 3‘. La région du déroulement de la double hélice parentale est appelée la fourche de réplication  Les nucléotides qui s’ajoutent ont la forme de trinucléotides.  L’énergie nécessaire à la formation du lien (phosphodiester) entre le nouveau trinucléotide et la chaîne d’ADN existante provient du bris de la liaison entre les groupements phosphate du trinucléotide qui s’ajoute.  Brins directeur et discontinu 5. Un des brins est appelé brin directeur et est synthétisé de façon continue. L’autre brin est le brin discontinu (ou retardé) et est synthétisé par fragments. Les espaces entre les fragments sur le brin discontinu sont remplis par la synthèse d’ADN par l’ADN polymérase et les amorces d’ARN sont enlevés. Les segments du brin discontinu sont scellés par l’ADN ligase