Chapitre I: Les Acides Nucléiques PDF

CHAPITRE I: Les acides nucléiques A/ Les acides nucléiques I- Définition Le médecin suisse MIESCHER isola en 1869, à partir de leucocytes de pus de plaies infectées, une substance organique remarquablement riche en phosphore q...

CHAPITRE I: Les acides nucléiques A/ Les acides nucléiques I- Définition Le médecin suisse MIESCHER isola en 1869, à partir de leucocytes de pus de plaies infectées, une substance organique remarquablement riche en phosphore qu'il baptisa nucléine. Sa nature chimique fut élucidée par les travaux initiateurs de KOSSEL à partir de 1882 jusqu'à ceux de LEVENE en 1927 : il s'agissait de l'acide désoxyribonucléique dont l'abréviation est ADN (DNA : anglo- saxon), polymère d'unités dénommées nucléotides. Les acides nucléiques sont des substances qui ont été tout d’abord isolées du noyau des cellules. Plus tard, il a été mis en évidence qu’il existait des acides nucléiques non seulement dans le noyau, mais aussi dans le cytoplasme des cellules. II- Types On peut en distinguer deux grands types:  les acides désoxyribonucléiques (ADN): essentiellement localisés dans le noyau des cellules  les acides ribonucléiques (ARN): essentiellement localisés dans le cytoplasme cellulaire. III-Intérêt C’est dans la synthèse des protéines, composés fondamentaux de la cellule, supports de la plupart des activités biologiques, que les acides nucléiques ADN et ARN jouent un rôle essentiel. D’une façon très schématique, l’ADN contient l’information nécessaire à cette synthèse, le programme. Il sert en quelque sorte à dicter l’ordre dans lequel les acides aminés doivent s’enchaîner pour donner finalement la protéine adéquate. Il renferme également l’information nécessaire à la régulation de la synthèse protéique. L’ADN est un élément permanent de la cellule. Les informations qu’il contient seront transmises aux descendants et constitue ainsi un support de l’hérédité. Les ARN, quand à eux, permettent la mise en œuvre de la synthèse protéique. IV-Structure Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont de très longues molécules (macromolécules), appelées oligonucléotides formées par un enchaînement de molécules simples et comportent des sous-unités appelées nucléotides. B/ Les Nucléotides Un nucléotide résulte de : 1) la condensation d'un ose (pentose) avec une base nucléique (hétérocycle azoté) qu'on appelle nucléoside. 2) l'estérification de l'ose d'un nucléoside par l'acide phosphorique produit un nucléotide.  Nucléoside + acide phosphorique =Un nucléotide. Un Nucléoside = Base azotée + ose Une liaison covalente (liaison N-osidique) fixe les bases à un pentose. I- Les bases azotées  Cinq bases majeures, partagées en deux séries, entrent dans la composition des nucléotides et leurs polymères.  Elles vont conférer aux composés biologiques dont elles font partie des propriétés capitales.  Base azotée: attachée au C1 du sucre  Les deux types de bases sont  Les bases puriques (2 héterocycles azotés)  Les bases pyrimidiques (un héterocycle azoté) NB/ Les noms courants des différentes bases n'ont aucun lien avec la nomenclature classique de la chimie organique, certains font référence à leurs conditions de découverte (thymine : thymusde veau). Les nucléotides de l'ADN, comme ceux de l'ARN ne comportent que quatre de ces bases azotées : - deux puriques communes aux deux types d'acides nucléiques ( l’adénine et la guanine) - une pyrimidique commune : la cytosine - une pyrimidique spécifique : l'uracile pour l'ARN et son dérivé méthylé, la thymine pour l'ADN II- Le pentose Il s'agit du ribose dans les acides ribonucléiques (ARN) et de son dérivé 2-désoxyribose dans les acides désoxyribonucléiques (ADN) III- Le phosphate Les nucléotides résultent de la phosphorylation des nucléosides. On appelle ainsi nucléotide, tout motif complet qui comporte un groupe phosphate, un sucre et une base azotée La polymérisation On appelle polynucléotides ou oligonucléotides, des macromolécules constituées par l’enchaînement de plusieurs nucléotides reliés entre eux par une liaison 5’,3’-phosphodiester.  Les 4 nucléotides triphosphates sont reliés entre eux pour former des polypeptides Les phosphates β et Ϫ sont perdus lors de la polymérisation Le phosphate restant en 5’ d’un nucléotide forme une liaison avec le C en 3’ du nucléotide suivant La chaine polynucléotidique possède un 5’ triphosphate libre en 5’ et un OH libre en 3’ Par convention la séquence est écrite dans le sens 5’  3 Résumé Les AN sont des enchaînements de nucléosides 5'-phosphates dont l'assemblage est réalisé par une liaison phosphodiester. Les deux types d'acides nucléiques sont : - ADN composé de : - un ose qui est le 2'-désoxyribose - la base est soit : A ou G (purine), soit C ou T (pyrimidine) - ARN composé de : - un ose qui est le ribose - la base est soit : A ou G (purine), soit C ou U (pyrimidine) C/ Structure et fonction de l’ADN L’ADN est donc un enchaînement d’un grand nombre de nucléosides reliés entre eux par des liaisons phosphodiesters. J.D. Watson et F.H.C Crick1, en 1953, ont élucidé pour la première fois la structure de l’ADN. Trois caractéristiques sont propres à l’ADN, et vont le différencier des ARN. 1- Comme les initiales « ADN » l’indiquent, l’ose entrant dans la constitution de l’ADN est du désoxyribose, et non du ribose comme ce sera le cas dans les ARN. 2- Les bases constituant les nucléotides de l’ADN sont l’adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. Dans les ARN, l’uracile remplace la thymine. 3- Une molécule d’ADN est habituellement formée de deux chaînes (on dit aussi « deux brins ») de nucléotides, alors qu’une molécule d’ARN n’en comprend qu’une. Les deux chaînes de polynucléotides de l’ADN adoptent dans l’espace une configuration hélicoïdale : elles s’enroulent autour d’un axe central imaginaire en formant une double hélice La double hélice est Antiparallèles, Complémentaires, Hélicoïdales. Antiparallèle Ces deux brins de nucléotides sont antiparallèles, les deux squelettes pentose-phosphate se trouvent sur les bordures extérieures de l’hélice, alors que les bases azotées se font face à l’intérieur et s’apparient par des liaisons hydrogènes qui maintiennent ensemble les deux brins. Complémentaire Dans cette double hélice, la règle de complémentarité est telle qu’une base purique interagit avec une base pyrimidique. Chacune des bases azotées a un complément exclusif : l’adénine est toujours appariée à la thymine et la guanine à la cytosine. Cette complémentarité s’explique pour les raisons suivantes: - Pour des raisons stériques: en face d’une purine qui est constitué de 2 cycles, on a obligatoirement une pyrimidine qui ne possède qu’un cycle, et inversement. Chaque paire de bases a donc la même dimension  structure régulière de la double hélice Ceci pourrait laisser supposer d’en face de A, on pourrait trouver aussi bien T que C. Et bien non pour :  - une raison de liaisons hydrogène : les bases complémentaires sont liées par des liaisons hydrogènes qui aident à stabiliser la double hélice On compte 3 liaisons H entre C et G contre 2 entre A et T. Elles peuvent être détruites par la chaleur ou par certains produits chimiques. Dans la cellule, des enzymes sont capables de séparer localement les 2 brins de la double hélice dans le but de copier l’ADN. Hélicoïdales Les 2 chaines de l’ADN présentent dans l’espace une configuration hélicoïdale. Elles s’enroulent autour d’un axe central imaginaire Cette double hélice est caractérisée par : - son axe principal, - le sens d'enroulement, - le pas La stabilité de la structure secondaire de ces différentes double hélices d'ADN est essentiellement due aux : - liaisons hydrogène entre les bases complémentaires de chacun des brins - interactions hydrophobes et électrostatiques des bases successives empilées dans la structure de l'hélice, dont la distance des plans varie de 0,26 à 0,37 nm. Cette stabilité n'entraîne pas une rigidité de la molécule d'ADN et celle-ci peut adopter des conformations différentes selon les régions. Plusieurs conformations correspondant à des sens d'enroulement différents ou des pas différents ont été trouvées, les principales étant : B, A, Z.  Ces types d’ADN diffèrent légèrement par le diamètre de leur hélice et par l’orientation de leur paire de bases. Conformation B C'est celle du modèle décrit par Watson et Crick et que l'on trouve comme la forme principale native dans les conditions physiologiques. C’est la forme biologique la plus importante de l’ADN D/ Propriétés physico-chimiques des acides nucléiques La structure de la double hélice donne une nature fibreuse à la molécule d'ADN dont les propriétés sont exploitées dans de nombreuses expériences de biologie moléculaire. Des propriétés physico- chimiques souvent utilisées: Taille et masse: Différente d’une espèce à une autre Densité - fonction de la nature des nucléotides - la densité des molécules d'ADN est telle qu'on peut les séparer par ultracentrifugation dans des gradients de densité (chlorure de césium) Charge électrique - Les molécules d’ADN et ARN sont chargées négativement à pH physiologique est en raison des groupements phosphates et directement proportionnelle à leur longueur (nb de nucléotides). - Cette propriété est utilisée pour les séparer par électrophorèse (placées dans un champ électrique, ces molécules migreront vers le pole (+) anode. Absorption : Les bases A, G, C, T, U ont une absorption maximale à ≈ 260 nm Dénaturation – renaturation Précipitation Les alcools, et en particulier l'éthanol, précipitent les molécules d'ADN sous forme d'agglomérat en longues fibres. Dégradation de l’ADN Clivage chimique Coupure enzymatique par : E/ Conditionnement cellulaire des acides nucléiques De l'ADN à l'information génétique - L'ADN est visible sous forme de chromosomes lors de la division cellulaire des eucaryotes - L'information génétique code pour des molécules  Un chromosome (du grec chromos = la couleur et soma = le corps)  Ces particules ont été observées et décrites en 1879 par Flemming qui les a observé lors de la division (mitose) de cellules animales.  On a depuis identifié ces éléments colorables uniquement lors de la division cellulaire des eucaryotes comme étant composé d'ADN et de protéines. L'ADN est très compacté dans un chromosome: l'ensemble de l'ADN du noyau d'une cellule humaine est regroupée en 46 chromosomes (23 paires de chromosomes regroupées par paires de même forme et taille) dont la totalité de l'ADN déroulé atteint environ 2m, chaque chromosome humain ne dépassant pas quelques µm de longueur. Structure de la chromatine La chromatine est la forme de l’ADN fortement associée aux protéines histones et compactée en nucléosomes. Les complexes protéines-ADN sont appelés nucléosomes. Le nucléosome contient de l’ADN enroulé autour d’un « core » constitué de 8 protéines appelées histones 2x (H2A H2B, H3 et H4). Les histones sont des protéines de petit poids moléculaire (11-22 kDa); riches en acides aminés basiques (+) (arginine et lysine). L’histone H1 n’appartient pas au nucléosome, mais permet le contact entre deux nucléosomes. Structure du chromosome Centromère C'est la zone au niveau de laquelle les deux chromatides d'un chromosome sont reliés. Le centromère se casse en 2 lors de la division pour permettre aux chromatides de se séparer. Les télomères. Ils constituent les extrémités des chromosomes eucaryotes. Ils sont formés par des séquences répétitives d’ADN. Le problème majeur lors de la réplication de l’ADN est l’élimination potentielle de l’amorce d’ARN la plus externe ce qui pourrait entraîner un raccourcissement de l’ADN à chaque cycle de réplication. La protection des extrémités des chromosomes des eucaryotes est assurée par une enzyme spécifique: la télomérase. Les télomères ainsi que les gènes & les activités des télomérases ont un intérêt primordial dans la recherche des phénomènes moléculaires de vieillissement, de longévité & d’immortalité cellulaire. F/ Organisation du génome humain G/ Les Acides Ribonucléiques (ARN) I Caractéristiques Générales: Les ARN sont caractérisés par: -L’ose= ribose: remplace le 2’-désoxyribose présent dans les ADN. -Les bases pyrimidiques et puriques rencontrées sont: A, C, G et U (cette dernière est remplacée par T dans les ADN). - Une seule chaîne nucléotidique (au lieu de deux dans les ADN). Cette unique chaîne est plus courte que les chaînes d’ADN. NB/ L'ARN à deux brins appariés est l'exception de quelques rares virus et quelquefois des molécules faisant partie d'hybrides ARN-ADN -Les règles d’appariement entre les bases complémentaires peuvent s’observer dans les ARN. -Dans certains cas: une même chaîne d’ARN peut s’auto hybrider où les portions bi caténaire ont un appariement suivant la règle: A apparié avec U (deux liaisons hydrogène) et C apparié avec G (trois liaisons hydrogène). Ainsi les régions appariées donnent des tiges & les régions non appariées donnent des boucles (structure en cruciforme), donnant des structures secondaires II et tertiaires III. - Présence de bases modifiées : dihydrouracile, pseudouridine, ribothymidine, hypoxanthine … (qui prennent naissance de modifications de bases normales). II Les différents types d’ARN Les cellules contiennent essentiellement quatre types d’ARN: - Les ARN ribosomiques (ou rARN). - Les ARN de transfert (ou tARN). - Les ARN messagers (ou mARN). - Les ARN nucléaires de petite taille (ou snRNA)(ou small nuclear RNA) BN/ Dans la cellule, les rARN sont les plus abondants et les snRNA les moins abondants. 1- Les ARN ribosomiques (ARNr) 80% de l'ARN a- définition Les ARNr sont localisés au niveau des ribosomes : en effet, ces derniers sont en fait des particules a base de 35% de protéines et 65% d'ARN. On peut les isoler facilement à partir de broyats cellulaires par ultracentrifugation. On les désigne pour cette raison par leur constante de sédimentation, exprimée en Svedberg (S). L’unité Svedberg étant l’unité de mesure de a vitesse de sédimentation qui dépends de la taille, la forme et de la structure du ribosome et on parle par exemple d'ARN 23S où est le (1 S = 10-13 secondes). b- Structure Un ribosome est formé de 2 sous unités: la petite et la grande sous unité. Lorsque la petite sous unité et la grande s’assemblent, il se forme entre les deux sous unité, un sillon dans le quel passera l’ARNm C- Localisation des ribosomes: Les ribosomes sont des organites intracellulaires situés : - dans le cytoplasme à l‘état libre (synthèse des protéines cytoplasmiques) ou liés au réticulum endoplasmique (protéines à destination membranaire ou intra-organite). - dans les mitochondries et les chloroplastes: toutefois, ces ribosomes se rapprochent de ceux des bactéries Les ribosomes sont les usines de fabrication des protéines de la cellule. Noter que les ARNr sont synthétisés dans le noyau à partir de l'ADN et s'assemblent au niveau des nucléoles avec les protéines, puis passent dans le cytoplasme. On peut distinguer les rARN des procaryotes (E. coli) et les rARN des eucaryotes. - Chez les procaryotes (E. coli): Les ribosomes ont une constante de sédimentation de 70S. On peut les dissocier en 2 sous unités: une grande sous-unité (50 S) et une petite sous-unité (30 S). (les constantes de sédimentation ne sont pas additives...). Chaque sous-unité comporte des protéines dites protéines ribosomales (ou r-protéines) et des rARN. Ainsi: La grande S/S U 50S: 2 types d'ARN (23S et 5S); 31 protéines La petite S/S U 30S : 1 ARN (26S); 21 protéines - Chez les eucaryotes. Les ribosomes sont plus gros (80 S) avec également une structure à deux sous-unités (40 S et 60 S). La grande s/s U 60 S contient trois rARN différents (5 S, 5,8 S et 28 S). La petite sous-unité 40 S ne contient qu’un seul rARN (18 S). Le nombre de protéines ribosomales à l’intérieur de chaque sous-unité est plus important que chez les procaryotes. Ainsi: 60S: 3 types d'ARN; 49 protéines 40S: 1 type d'ARN; 33 protéines d- Rôle des ARNr Les ribosomes interviennent dans la synthèse des protéines (appelée aussi "traduction"), à partir des ARNm. Rôle de structure : ils constituent en partie les ribosomes (usine de la synthèse protéique) Rôle pour faciliter la fixation sur le ribosome des autres ARN(t et m). 2- Les ARN de transfert (ARNt) (15% de l'ARN) a- Définition Les ARNt sont les vecteurs qui vont transférer les acides aminés jusqu’à l’usine ribosome où s’effectue la synthèse protéique. b- Structure des tARN Les tARN présentent bien entendu la structure générale des ARN. Mais ils présentent plusieurs particularités structurales propres liées à leur fonction: - Des bases inhabituelles. Tout d’abord, ils contiennent des nucléotides inhabituels (environ 1 sur 10) par les bases qu’ils renferment. Ainsi, l’hypoxanthine, dont le nucléotide correspondant est l’IMP (inosine monophosphate), mais aussi la thymine ou des bases méthylées. - structure typique spatiale en trèfle, ou un cruciforme avec de nombreuses régions en structure II (appariement de bases). -Les chaînes de tARN sont de petite taille constituées d’une centaine de nucléotides environ (de 73 à 95 nucléotides). Surtout, il existe des zones d’appariement selon la règle de complémentarité et des zones sans appariement où sont présentes les bases inhabituelles. Cette géométrie en feuille de trèfle caractéristique est constituée de plusieurs structures en épingles à cheveux appelés bras ou boucles. On distinguera: -Le bras accepteur formé par appariement de bases situées aux deux extrémités (5’ et 3’) de l’ARNt. Leur extrémité 3’-OH possède la séquence -CCA-3’-OH (constante pour tous les ARNt) n’est pas appariée. C’est par cette extrémité que sera fixé l’acide aminé (correspondant au codon de l'ARNm) et qui sera véhiculé par le tARN. - Le bras anticodon qui correspond à un groupe de trois nucléotides (ou triplet) situé sur une boucle du tARN. Ce triplet présente un rôle très important puisqu’il doit s’apparier avec le codon correspondant (complémentaire) présent sur l’ARNm. Cet appariement entre l’anti-codon et le codon se fait par des liaisons hydrogène et suivant les règles de complémentarité. Le codon et l’anti-codon sont disposés de manière antiparalllèle. - Les bras D ou DHU qui contient du dihydro-uracile et un nucléotide pyrimidique inhabituel - Le bras T ou TQC contient la séquence TQC où Q est un nucléotide modifié nommé pseudouracyle - Le bras dit optionnel ou variable est présent dans certains ARNt. Il peut être petit (2-3nts seulement) ou plus grand (13-21nts) - Enfin, l’extrémité 5’ des tARN comporte un groupement phosphate. Les tARN jouent un rôle capital dans la biosynthèse protéique. c- Localisation et fonction des ARNt Les ARNt sont synthétisés, a partir de l'ADN, dans le noyau des cellules Eucaryotes. Ils passent ensuite dans le cytoplasme, où ils jouent un rôle fondamental dans la traduction. En effet, ils apportent les acides amines aux ribosomes pour construire les protéines. Ils sont qualifies d'adaptateurs. Une cellule contient de nombreux ARNt, chacun liant un acide aminé spécifique. Il existe une soixantaine d'ARNt différents (compte tenu de dégénérescence du code génétique). Il existe naturellement une vingtaine d’acides aminés et on dénombre 61 codons différents ! Ceci signifie qu’un acide aminé pourra être véhiculé par plusieurs tARN spécifiques (différent par leur anticodon). Chaque ARNt reconnait par ailleurs un codon dans l’ARNm ce qui lui permet de placer l’acide aminé a sa place dans la chaine polypeptidique en croissance, conformément à ce qu’indique la séquence de l’ARNm.  3- Les ARN messagers (mARN) (5% de l'ARN) a- définition Ils constituent le support essentiel de l’information génétique, intermédiaires entre l’ADN et le ribosome où s’effectuera la synthèse protéique. Ce sont des copies en ARN de l'ADN contenu dans les gènes. Ces copies d'ADN sont réalisées dans le noyau, puis exportées dans le cytoplasme (cf cours transcription), où elles sont ensuite traduites en protéines grâce aux ribosomes. b- structure Ils sont formés d’une seule chaîne de nucléotides avec les bases communes aux ARN: A, U, C et G. Cette chaîne comporte une succession de triplets nucléotidiques. Chaque triplet nucléotidique constitue un codon spécifique d’un acide aminé donné. c- Durée de vie Les ARNm sont monocaténaires et ont une durée de vie très courte à la différence des tARN par exemple. Chez les bactéries, la durée de vie d’un mARN est de quelques minutes environ. Les mARN sont très rapidement synthétisés et dégradés. Un ARNm pourra cependant être lu plusieurs fois au niveau du ribosome. 4- Les petits ARN nucleaires Les petits ARN nucléaires (ou snRNA) sont présents dans le noyau des cellules et sont impliqués dans certaines étapes de la régulation post transcriptionnelle (épissage) Les snARN existent sous forme de ribonucléoprotéines appelées snRNP (small nuclear ribonucleoproteins) constituant le splicésome (spliceosome). 5- ARN chez les Virus De nombreux virus possèdent un génome à base d'ARN: - Certains possèdent un ARN bi caténaire, en hélice, analogue à l'ADN. C'est le cas de virus des végétaux. - les virus à ARN monocaténaire possèdent une ou plusieurs molécules d'ARN.