Les cours ADN et ARN 1ére année

La constitution des cellules

La cellule est une unité fondamentale, structurale et fonctionnelle des organismes vivants.
Elle peut remplir toutes les fonctions de l’organisme, à savoir le métabolisme, le mouvement, la croissance, la reproduction ou encore la transmission de gènes.
C’est une entité vivante qui fonctionne de manière autonome, tout en restant coordonnée avec les autres.

• Atomes de C, H, O, P, S, Fe (boutiques de fer en anglais: Schops Fe).
• Molécules simples: oses, acides aminés, acides gras.
• Macromolécules: les protéines et les nucléotides (constituants majeurs des acides nucléiques).

I. Les nucléotides

1. Les éléments constitutifs des nucléotides

1) Les bases

Le premier type de bases: les bases pyrimidiques

• 1 Hétérocycle.
• Azoté (2N).

• Cytosine: 2-oxy-4-amino-pyrimidine.
• Thymine: 2, 4-dioxy-5-méthylpyrimidine.
• Uracile: 2, 4-dioxy-pyrimidine.

• Cytosine: présente dans l’ADN et l’ARN.
• Uracile: uniquement présente dans l’ARN.
• Thymine: présente dans l’ADN.

• Formés de deux hétérocycles accolés l’un à l’autre.
• Azoté (4N).

• Adénine: 6-amino-purine.
• Hypoxanthine: 6-oxy-purine.
• Guanine: 2-amino-6-oxypurine.

Adénine et Guanine présentes dans l’ADN et dans l’ARN.
L’Hypoxanthine: très petite quantité, présente ni dans l’ADN, ni dans l’ARNm, intermédiaire métabolique ARNt.

Caractère basique faible et ces bases sont hydrophobes sous forme libre
Ces bases sont des constituants des nucléotides mais elles sont, sous forme libre, en très petite quantité dans les cellules car elles ont un caractère basique donc elles sont chargées et associées à d’autres éléments.
Les groupements polaires carboxyle et amine sont capables d’établir des liaisons hydrogènes avec les atomes d’azote des cycles. En effet les liaisons des bases sont des hydrogènes dans l’ADN.

On va donc retrouver dans les cellules d’autres bases en très petite quantité.

• 5-méthyl-cytosine au niveau de l’ADN (modification épigénétique).
• 7-méthyl-guanine au niveau de l’ARN messager (chapeau).
• Bases méthylées, hydroxylées dans les ARN de transfert.
• + D’autres bases mais limité. Def: hétérocycle = cycle avec des N et des C.

2) Les oses

Le D-ribose qui possède 5 carbones. Il est sous forme cyclisé et présente une conformation en anomère β c'est-à-dire que le –OH du C1’ est au-dessus du plan. Il est présent dans l’ARN.
La numérotation des carbones se fait avec des primes pour les différencier de la numérotation des azotes qui ne portent pas de primes.

Le 2’-désoxy-D-ribose: Pas de fonction alcool secondaire en 2’.
On ne le retrouve que dans l’ADN.
Il est apporté par l’alimentation via le glucose.

3) Acide phosphorique H3PO4

3 fonctions acides qui sont masqués dans les acides nucléiques.
Apportée par l’alimentation.

2. Leur association

1) Liaison base-ose: nucléoside (base + sucre)

Cette liaison qui relie la base au ribose est une liaison de type N-osidique, car elle s’établit entre l’ose en 1’.
L’azote 9 de la base purique.
L’azote 1 de la base pyrimidique.

Liaison N-β-osidique car cette liaison est au-dessus du plan de la molécule.
Les nucléosides libres et les bases libres existent en très petite quantité dans les cellules car ils sont liés à l’acide phosphorique.

2) Liaison base-ose - H3PO4: nucléotide

Liaison ester entre la fonction alcool primaire en 5’ de l’ose du nucléoside et l’acide phosphorique H3PO4.

Quand l’ose est le désoxyribose, d- est placé avant le nom de la molécule. (dAMP, dGMP, dIMP).

Les nucléotides dans les cellules peuvent se présenter sous forme de nucléotides mono-, di- ou triphosphate.

• Adénosine 5’-monophosphate: AMP.
• Adénosine 5’-diphosphate: ADP.
• Adénosine 5’-triphosphate: ATP.

Les liaisons entre les 2ème et 3ème phosphates (β et γ) sont caractérisées par leur énergie d’hydrolyse très élevée, composés qui jouent un rôle très important car ils servent à la cellule lorsqu’elle a besoin d’énergie pour réaliser les fonctions cellulaires.

4) Différentes formes de nucléotides / cellules: différents rôles

• Nucléotides mono-, di- ou triphosphate: Métabolisme cellulaire: transfert d’énergie.
• Dérivés de nucléotides (NAD, NADP, FAD): Jouent le rôle de cofacteurs d’enzymes.
• Constituants des acides nucléiques: Support de l’information génétique.

5) Liaison des nucléotides dans les acides nucléiques

Un acide phosphorique est engagé dans 2 liaisons esters.
Une en 5’ de l’ose d’un nucléotide sur sa fonction alcool 1aire.
Une en 3’ avec l’ose nucléotide voisin sur sa fonction alcool 2ndaire.

Cette liaison s’appelle une liaison phosphodiester. Cette liaison va masquer 2 des 3 charges de l’acide phosphorique.
Sa 3ème fonction acide reste libre: elle confère en théorie un caractère acide aux « acides » nucléiques mais elle va être aussi masquée.

Un acide nucléique possède systématiquement deux extrémités.
Une extrémité 5’-Phosphate: l’ H3PO4 en 5’ de l’ose est libre (2 fonctions acides libres).
Une extrémité 3’-OH: l’OH en 3’ de l’ose est libre.
Par convention, la lecture et l’écriture des acides nucléiques se fait toujours dans le sens 5’ vers 3’.

Dans cette chaîne nucléotidique, dans cet acide nucléique, seuls les riboses et les phosphates jouent un rôle dans l’enchaînement des nucléotides.
Les bases ont un autre rôle: le rôle de support de l’information génétique.

II. Les acides nucléiques

1. L’ADN: acide désoxyribonucléique

Liaison hydrogène entre les bases (HHH) et liaison covalente dans un même brin (CHH).

• ADN nucléaire dans les cellules eucaryotes (chez l’homme).
• ADN mitochondrial.
• ADN des différents êtres vivants (eucaryotes et procaryotes).
• 5-méthyl-cytosine au niveau de l’ADN.
• Dans l’ADN, on rencontre les bases puriques: adénine et guanine.
• Dans l’ADN, on rencontre les bases pyrimidiques: cytosine et thymine.
• Et pour les oses: le 2-désoxyribose.

La structure de cet ADN

• 1) Structure bicaténaire: 2 brins.
• 2) Brins antiparallèles.

Un brin s’écrit dans le sens 5’ → 3’.
Le brin antiparallèle s’écrit de façon à ce que son extrémité 5’ soit en face du 3’ du premier brin et que son extrémité 3’ soit en face du 5’ de ce brin.

3) Brins complémentaires

Liaisons hydrogènes entre les bases

• 3 liaisons hydrogènes entre C et G = sillon majeur de l’ADN plus dur à courber.
• 2 liaisons hydrogènes entre T et A = sillon mineur de l’ADN plus facile à courber.

Il y a une complémentarité absolue c'est-à-dire que dans un acide nucléique, il y aura toujours la même quantité de bases adénine que de bases thymine et la même quantité de bases guanine que de bases cytosine.
[A] = [T] et [G] = [C] pour tous les ADN de toutes les espèces mais [A] et [G] ou [C] et [T] ne sont pas en même quantité.

Ces 2 bases complémentaires sont dans un même plan. Ces bases complémentaires associent systématiquement une base purique et une base pyrimidique et chaque paire de base a le même encombrement stérique.
Cela confère une structure régulière à l’ADN avec un encombrement constant (en théorie, car il y a des variantes).
La séquence d’ADN se lit et s’écrit de 5’ à 3’ toujours de gauche à droite.
Par convention, la séquence complémentaire se lit et s’écrit de 5’ à 3’.

4) L’ADN possède une structure hélicoïdale: (hélice)

Les 2 brins d’ADN s’enroulent autour d’un axe central imaginaire et forment une échelle.
Les barreaux sont formés par les bases complémentaires (hydrophobes donc région interne) liaisons hydrogènes.
Les montants sont formés par l’enchaînement de désoxyribose-phosphate (hydrophiles, acides donc orientés vers l’extérieur). Liaisons covalentes.

Le squelette ribose-phosphate permet de maintenir cette structure hélicoïdale. Cette structure hélicoïdale forme une double-hélice.
J. Watson et F. Crick 1953: Prix Nobel 1962 avec M. Wilkins pour la découverte de la structure de l’ADN.

5) Une structure dynamique, flexible

Cette flexibilité provient du fait que la position des bases par rapport aux désoxyriboses peut varier: différentes conformations de l’ADN.

B-ADN est le plus important quantitativement

Il possède une conformation « anti »: les bases et les oses sont en position éloignée et le pas de l’hélice tourne vers la droite.

• Le plan des bases est perpendiculaire à l’axe de l’hélice.
• Le plan des oses est perpendiculaire à l’axe des bases.
• 1 tour = 10 paires de bases (pb) TFII H = activité d’hélicase sur 10 bases.
• Un diamètre de l’hélice: 2,4 nm.

Z-ADN

• Conformation « syn ».
• Bases et oses sont du même côté de l’axe de l’hélice.
• Le pas de l’hélice est à gauche.
• Aspect en zigzag.
• Diamètre: 1,8 nm avec 12 pb.
• Pas la même structure donc il a peut-être des fonctions différentes qui ne sont pas encore déterminer.

La torsion de l’ADN définit deux sillons: le grand sillon (ou sillon majeur GC) et le petit sillon (ou sillon mineur AT). C’est dans le grand sillon que vont venir s’intercaler des protéines pour la rupture de l’ADN, sa réplication.

6) Dénaturation « in vitro », dans un tube à essai

La dénaturation est la capacité qu’a l’ADN de séparer ses 2 bases par rupture des liaisons hydrogènes.

Par différents moyens physiques

• Chauffage.
• pH extrême.

C’est important car cela permet des modifications physico-chimiques: diminue la viscosité.

Caractéristiques de cette dénaturation

• Température de fusion (Tm): la Température de fusion augmente avec l’augmentation du contenu en G et en C de l’ADN (car 3 liaisons H donc plus serré et plus solide donc plus d’énergie à apporter pour faire tout fondre).
• Dénaturation réversible: Si T° inférieur à T° fusion = T° inférieur à Tm°.

Résumé: de l’ADN nucléiaire

1. Bicaténaire.
2. Brins antiparallèles.
3. Brins complémentaires.
4. Hélicoïdal.
5. Flexibilité - structure dynamique.
6. Dénaturation – renaturation in vitro.

ADN mitochondrial

1. Bicaténaire.
2. Circulair.
3. Gènes sans introns.
4. Transmission maternelle: l’embryon hérite de l’ADN mitochondrial est localisé dans le cytoplasme de l’ovule. Les maladies mitochondriales sont transmises par la mère car l’ADN mito est transmise par la mère.
5. Peut fusionner avec une autre mitochondrie.

ADN des différents êtres vivants: Eucaryotes (E) / Procaryotes (P)

Similitudes

• Structure commune: enchaînement des nucléotides.
• Bicaténaire (sauf pour quelques virus).
• Dans ces cellules, les séquences de bases sont caractéristiques de chaque molécule d’ADN.

Différences

• ADN isolé (pour les eucaryotes) ou non (pour les procaryotes) du cytoplasme par une membrane nucléaire.
• Dans les cellules eucaryotes, l’ADN a une forme linéaire (chromosomes) alors que dans les cellules procaryotes, l’ADN est circulaire.
• Plusieurs molécules « chromosomes » (pour les eucaryotes) / une seule molécule chez les virus et les bactéries (P).
• Nombre de nucléotides: (sucre+phosphate+base).
• Des milliards dans les cellules eucaryotes.
• Des milliers dans les cellules procaryotes.

2. L’ARN: acide ribonucléique

1) ARN: caractéristiques

Bases

• Puriques: A et G.
• Pyrimidiques: C et U (et non T).
• L’ose est le ribose.
• 7-méthyl-guanine au niveau de l’ARN messager (chapeau l’artiste).

En termes de structure

• Structures beaucoup plus courtes que celle de l’ADN.
• Structure monocaténaire: un seul brin.
• Mais il existe des zones d’appariement des ARN.
• Entre deux molécules d’ARN distincts: ARNt et ARNm.
• Au sein d’une même molécule d’ARN: au niveau des branches des ARNt auto appariement.
• Les ARN portent différentes fonctions (suivant la structure).

Majoritairement, 4 ARN ont un rôle dans la synthèse protéique

• ARNr.
• ARNt.
• ARNm.
• Et également d’autres petits ARN nucléaires: snARN (small nuclear ARN).

Autres fonctions

• Amorce de la réplication de l’ADN.
• ARN non codant: micro ARN, ARN interférents.

2) Organisation de l’ARNr: ribosomaux

L’ARNr = inclut dans des particules cytoplasmiques

• Particules essentiellement cytoplasmiques (peu mitochondriales).
• Libres ou liées au réticulum endoplasmique.

Ces ribosomes ou ARNr sont constitués de deux sous-unités

• Une petite sous-unité de 40 S ≈ 1500 nucléotides.
• Une grande sous-unité de 60 S ≈ 4000 nucléotides.

Les ribosomes sont des complexes multienzymatiques (ce ne sont pas des protéines mais ils sont faits de protéines) constitués

• D’ARN: ARNr.
• De protéine.
• Pour la petite sous-unité: plus de 30 protéines.
• Pour la grande sous-unité: plus de 49 protéines.

3) Structure de l’ARNt

L’ARNt est beaucoup moins volumineux 100 nucléotides.

Quelques bases atypiques

• Hypoxanthine (ni dans l’ADN, ni dans l’ARN sauf l’ARNt) Intermédiaire métabolique.
• Thymine et autres bases méthylées.
• On va pouvoir trouver des bases modifiées secondairement à la synthèse des ARNt: modifications post-traductionnelles.
• Configuration spatiale particulière.

Cette forme spatiale est en « feuillet de trèfle »: repliement de brin d’ADN monocaténaire

• 4 Branches: Appariements entre bases complémentaires.
• 3 Boucles.
• Présence de bases atypiques (qui ne peuvent pas être au niveau des branches car ce sont des branches complémentaires avec des bases classiques).
• Nucléotides non appariés.

a) L’extrémité 3’OH libre (branche)

• Celle-ci, pour chaque ARNt, se termine par 3 nucléotides: CMP, CMP, AMP (« CCA » de 5’ vers 3’).
• Cette extrémité particulière au bout d’une branche est capable de fixer l’Acide Aminé à transporter.

b) L’anticodon

• Il est situé au niveau d’une boucle (la plus opposée à l’extrémité CCA de 3’).
• Il est composé de 3 nucléotides qui sont capables de fixer un autre triplet de nucléotides: le codon de l’ARNm.
• Appariement codon de l’ARNm – anticodon de l’ARNt.
• Entre bases complémentaires.
• Par des liaisons hydrogènes.
• Antiparallèle.

L’ARN est fragile « in vivo ». L’ARN est facilement dégradé par des enzymes « ribonucléases » présentes en particulier sur la peau.
Manipulation des ARN avec un matériel stérile et des gants.

Enseignement ADN et ARN pour la faculté de médecine