Les acides nucléiques

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1 Les acides nucléiques Les acides nucléiques : - polymères de nucléotides : polynucléotides - présents dans toutes les cellules vivantes, et les virus - libres ou associés à des protéines - support de l information génétique ou agents permettant l expression de cette information Rem : les nucléotides jouent aussi un rôle dans le stockage de l énergie (ATP) ou en tant que co-enzymes (NAD +, FAD,...) Chaque nucléotide peut être hydrolysé en 3 constituants : nucléotide Base hétérocyclique azotée Pentose Acide phosphorique BioGen DC Gillan UMons 1

2 Selon le type de pentose on distingue 2 types d acides nucléiques : Les acides désoxyribonucléiques (ADN ou DNA) : le pentose est du 2-désoxy-!-D-ribofuranose Constituant des chromosomes (dans le noyau chez eucaryotes) Dans les organites (mitochondrie...) Dans les virus Les acides ribonucléiques (ARN ou RNA) : le pentose est du!-d-ribofuranose Dans le noyau et le cytoplasme Dans les organites (mitochondrie...) Dans les virus Les bases azotées : il existe deux types de bases Bases puriques ou purines substituées Elément de départ = purine Bases pyrimidiques ou pyrimidines substituées Elément de départ = pyrimidine BioGen DC Gillan UMons 2

3 Bases puriques Bases pyrimidiques BioGen DC Gillan UMons 3

4 Bases puriques mineures (rares) Il en existe 50 Exemples : dérivés de la guanine (G) Bases pyrimidiques mineures (rares) Exemples : dérivés de la cytosine (C) BioGen DC Gillan UMons 4

5 Tautomérisme des bases : présence de deux tautomères Forme commune au ph physiologique Réaction de tautomérisation : - migration atome d H - migration de la double liaison Importance de t C, ph, solvant Nucléosides Nucléoside = base azotée + ribose (ou désoxyribose) Liaisons : bases puriques : azote 9 bases pyrimidiques : azote 1 Carbone 1 du pentose BioGen DC Gillan UMons 5

6 Nomenclature des principaux nucléosides OH Base Ribonucléoside Désoxyribonucléoside Adénine Adénosine Désoxyadénosine Guanine Guanosine Désoxyguanosine Uracile Uridine Désoxyuridine Cytosine Cytidine Désoxycytidine Thymine Thymine ribonucléoside Désoxythymidine ou ribothymidine (rare) Nucléosides monophosphates Nucléotide = nucléoside + phosphate = base + pentose + phosphate Ribonucléotides (ribose) Désoxyribonucléotides (désoxyribose) BioGen DC Gillan UMons 6

7 Nucléoside monophosphate Désoxyguanosine 5 -monophosphate (dgmp) BioGen DC Gillan UMons 7

8 Un O manque (erreur p.136) correct camp Pas dans l ARN! Adénosine 3, 5 monophosphate cyclique : camp Messager. Important dans divers mécanismes de régulation. Il existe aussi du cgmp. BioGen DC Gillan UMons 8

9 Nomenclature des principaux nucléosides-monophosphates (isomères 5 ) Base Adénine Guanine Uracile Cytosine Thymine Base Adénine Guanine Uracile Cytosine Thymine Ribonucléoside 5 -monophosphate Adénosine 5 -monophosphate = AMP Guanosine 5 -monophosphate = GMP Uridine 5 -monophosphate = UMP Cytidine 5 -monophosphate = CMP Thymine ribonucléoside 5 -monophosphate (rare) Désoxyribonucléoside 5 -monophosphate Désoxyadénosine 5 -monophosphate = damp Désoxyguanosine 5 -monophosphate = dgmp Désoxyuridine 5 -monophosphate = dump Désoxycytidine 5 -monophosphate = dcmp Désoxythymidine 5 -monophosphate = dtmp Nucléosides di- et tri-phosphates Adénosine 5 -diphosphate (ADP) Adénosine 5 -triphosphate (ATP) BioGen DC Gillan UMons 9

10 Désoxyadénosine 5 -triphosphate Guanosine 5 -triphosphate (GTP) BioGen DC Gillan UMons 10

11 Structure primaire des acides nucléiques Dans l ADN et l ARN les nucléotides sont reliés par des liaisons 3-5 phosphodiester. Polymère de nucléotides. Liaisons 3-5 phosphodiester O 5 - O P O CH 2 - O O N N O NH N NH 2 G 5 -GTC-3 O O - H O P = O O CH 2 H 3 C O N NH O T O Triribonucléotide O O - H O P = O O CH 2 NH 2 NH N O C O 3 OH O H BioGen DC Gillan UMons 11

12 Représentation schématique des nucléosides base base P 3 5 OH P OH OH Désoxyribonucléoside Ribonucléoside Structure d une chaîne nucléotidique d ADN base base base base base P P P 3 P 3 P 3 P 3 P 3 OH BioGen DC Gillan UMons 12

13 Grande importance de l ordre des bases : La séquence des bases = structure primaire Chaînes polyribonucléotidiques : ADN :...ATCGAATTGGTAC... ARN :...AGUCCAUUGGCAU... La séquence est caractéristique d un acide nucléique C est dans la séquence des bases que réside l information génétique. Les chaînes peuvent être très longues : Escherichia coli : chaîne de bases Femme : bases (3 177 Mpb); homme : Structure secondaire des acides nucléiques Cas de l ADN Les analyses d ADN extrait des cellules montrent : - Il y a autant d adénine (A) que de thymine (T) - Il y a autant de guanine (G) que de cytosine (C) A T = 1 G C = 1 A + G = C + T A + T - Le rapport varie beaucoup d une espèce à l autre G + C - La diffraction des rayons X suggère une structure hélicoïdale BioGen DC Gillan UMons 13

14 Rosalind Franklin ( ) Maurice Wilkins ( ) Etudes de l ADN par diffraction X «Photo 51» (1952) Description de la structure secondaire de l ADN en 1953 James D. Watson ( ) Francis Crick ( ) Prix Nobel en 1962 (avec Wilkins) BioGen DC Gillan UMons 14

15 La molécule d ADN est faite de deux chaînes polydésoxyribonucléotidiques enroulées pour former une double hélice. L ADN est double-brin. L ADN forme généralement une hélice dextrogyre (tournant vers la doite) Les atomes des bases forment des plans // les uns aux autres, " à l axe de la double hélice. 10 plans par tour 3,4 Å 34 Å BioGen DC Gillan UMons 15

16 La double hélice à un diamètre uniforme (structure R.X.) Les bases sont localisées entre les deux chaînes de pentose-phosphate Purines : 2 cycles Pyrimidines : 1 cycle Il n y a de place que pour 3 cycles Toujours une purine en face d une pyrimidine. Toutes les combinaisons ne sont pas possibles Chaque plan est formé de deux bases : une appartenant à la chaîne 1, l autre à la chaîne 2. Ces bases sont liées par des liaisons H : G C A = T G et C sont des bases complémentaires G C = 1 A et T sont des bases complémentaires A T = 1 BioGen DC Gillan UMons 16

17 BioGen DC Gillan UMons 17

18 Les deux chaînes sont antiparallèles : La séquence des bases d une des chaînes détermine automatiquement la séquence des bases de l autre chaîne. Les deux chaînes sont complémentaires (et non pas identiques) Les deux chaînes sont complémentaires (et non pas identiques) 3 -ATCCGTTACCGAATTACGATACGTA-5 5 -TAGGCAATGGCTTAATGCTATGCAT-3 La configuration bicaténaire hélicoïdale est une caractéristique générale des ADN et le modèle de Crick et Watson est valable pour les virus, les bactéries, les végétaux et les animaux. La structure de l ADN est universelle BioGen DC Gillan UMons 18

19 Structure secondaire des acides nucléiques Cas de l ARN - L ARN est généralement simple brin. - Il peut adopter une conformation 3D ou des zones double-brin se forment alors que d autres régions restent simple-brin. - Les chaînes de ribonucléotides sont beaucoup plus courtes. Il existe plusieurs sortes d ARN : - ARN ribosomial : rrna - ARN messager : mrna - ARN de transfert : trna - petits ARN : prna (snrna, scrna,... ) BioGen DC Gillan UMons 19

20 ARN ribosomial (5S) zones simple-brin zones double-brin ARN de transfert BioGen DC Gillan UMons 20

21 L information génétique portée par l ADN peut être modifiée : A. Mutation : changement stable et héréditaire qui intervient au niveau d une paire de base. Effets souvent limités. Production de mutants. Les mutations peuvent être spontanées ou induites (facteurs chimiques, physiques, biologiques). Voir plus loin. B. Recombinaison génétique Combinaison de deux brins d ADN pour former un brin d ADN hybride. Effets souvent importants. Recombinaison homologue : les brins d ADN ont la même séquence. Recombinaison spécialisée : les brins d ADN ont des séquences différentes. BioGen DC Gillan UMons 21

22 Mutation et recombinaison, sont les moteurs de l évolution! Voir plus loin. Découverte du rôle génétique de l ADN 1928 : expérience de Frederik Griffith (découverte de la transformation bactérienne) avec la bactérie Streptococcus pneumoniae. Cause la pneumonie chez les Mammifères BioGen DC Gillan UMons 22

23 Streptococcus pneumoniae Bacteria Phyl. Firmicutes Le pneumocoque méningites, otites, pneumonies, sinusites, etc. BioGen DC Gillan UMons 23

24 Deux souches de S. pneumoniae ont été isolées par Griffith : = Deux phénotypes S. pneumoniae virulentes (souche S, smooth) : capsule présente S. pneumoniae non-virulentes (souche R, rough) : pas de capsule R S S R Mort souris Souris vivante S tuées (chaleur) Souris vivante S tuées (chaleur) + R Souris morte Et bactéries S vivantes dans le sang. Conclusion : «quelque-chose» provenant des S à transformé les souches R. La virulence a été transférée aux bactéries R. BioGen DC Gillan UMons 24

25 Conclusions de Griffith : Il existe une information qui «code» pour le caractère «virulence». Cette information peut être transmise entre deux souches de bactéries. Une cellule morte ne peut pas exprimer cette information. Cette information n est probablement pas d origine protéique car il y a eu dénaturation par la chaleur : expérience de Avery, MacLeod et MacCarty Démonstration qu il y avait eu transfert génétique (d'adn) dans l expérience de Griffith. Appellent le processus «transformation». Démontrent par des études biochimiques que : (1) la transformation peut avoir lieu dans un tube à essai (in vitro), (2) un extrait de bactéries S, sans les bactéries, peut induire la transformation des cellules R in vitro; (3) Utilisation de nucléases et de protéases : la fraction active des extraits est de l ADN. Conclusion : c est l ADN qui «code» pour les caractéristiques d une cellule, dans le cas présent la virulence. BioGen DC Gillan UMons 25

26 La transformation bactérienne ADN souches S R R = S L ADN code également les caractéristiques génétiques d autres systèmes : les virus. Le phage T2 infecte la bactérie Escherichia coli (E. coli) Expérience de Alfred Hershey et Martha Chase. Expériences sur le phage T2 avec du 32 P et 35 S. BioGen DC Gillan UMons 26

27 Escherichia coli (E. coli) Bacteria Phyl. Proteobacteria Bactéries commensale du TD humain Modèle en génétique Le colibacille Virus Eléments génétique (ADN ou ARN) se répliquant indépendamment du chromosome dans une cellule hôte et qui présente une forme extracellulaire ( plasmides). Nécéssité de pénétrer dans une cellule hôte : infection. Exploitation machinerie métabolique cellule hôte. Infectent tous types d organismes cellulaires. Forme extracellulaire : acides nucléiques entourés de protéines (capside) = virion BioGen DC Gillan UMons 27

28 Taille des virus Cellule eucaryote µm Cellule procaryote L : 1-5 µm l : 1 µm Virus Noyau nm 1µm 1000 nm Grande importance écologique des virus Seraient plus nombreux sur Terre que les bactéries : 10 8 virions / ml d eau de mer. [Wommack & Colwell 2000 Microbiol Molec Rec 64:69-114] 10 8 virions / g sédiments marins ou de sol - Importance dans le cycle du C : lyse de cellules - Affectent toute la biodiversité - Importance dans transfert latéral de gènes (entre espèces = ou ). BioGen DC Gillan UMons 28

29 Structure des virus tailles morphologies compositions Acides nucléiques entourés d une capside protéique La capside est composée de capsomères Virus nu : enzymes virales capside capsomères acide nucléique (ADN ou ARN) capside + acides nucléiques = nucléocapside Un capsomère = un type ou plusieurs types de monomères. Autoassemblage. Génomes viraux Génomes à ADN, à ARN, ou les deux (mais à des moments ). Génome simple brin ou double brin Génome linéaire ou circulaire Classification selon l hôte infecté : animaux, végétaux, bactéries. Virus de bactéries = bactériophages (ou phages) «mangeurs de bactéries» (chez Bactéries et Archées) Génomes très petits : ne codent que pour quelques fonctions. Pour leur réplication, dépendent totalement de la cellule hôte; de même, pour la transcription et la traduction (emploi ribosomes de l hôte). BioGen DC Gillan UMons 29

30 Symétrie des virus Symétrie hélicoïdale (cylindres) et/ou icosaédrique Symétrie hélicoïdale : Virus de la mosaïque du tabac (TMV) : virus à ARN dont les 2130 capsomères sont arrangés en hélice. Mesure 18 x 300 nm. La longeur dépend de la longueur de l acide nucléique. BioGen DC Gillan UMons 30

31 TMV = tobacco Mosaic Virus Symétrie icosaédrique 20 faces (triangles équilatéraux) 12 coins 30 arêtes Nombre minimum de capsomères : 12. Ensuite : 32, 42, 72, 92, 162, 252, 362, 492, 642 et 812. Les capsomères des coins sont pentamériques, les autres sont hexamériques. BioGen DC Gillan UMons 31

32 Virus enveloppés Nucléocapside entourée d une membrane Essentiellement chez les virus d animaux (ex : Influenzavirus) Bicouche lipidique avec glycoprotéines (= récepteurs, fixation sur cellules hôtes spécifiques) Les lipides proviennent des lipides de l hôte. Les protéines sont codées par le virus. Importance pour l infection et la pénétration du virus. - Avantages : protection contre enzymes et composés chimiques - Désavantages : plus fragiles dans l environnement extérieur (sensibilité à la dessication, aux détergents). Exemple de virus avec membrane plasmique Rétrovirus BioGen DC Gillan UMons 32

33 Virus complexes : infectent bactéries Tête icosaédrique + queue hélicoïdale Ex : bactériophage T4 d E. coli. Fibres caudales crochets de queue BioGen DC Gillan UMons 33

34 Le virus de la grippe 8 segments d ARN simple brin dans une capside hélicoïdale H N H1N1 Influenza virus A BioGen DC Gillan UMons 34

35 Virus grippal Influenza A Hémagglutinine : glycoprotéine! entrée dans la cellule (capable d agglomérer des érythrocytes). Pour le virus de la grippe, existence de 16 types (H1 à H16). Reconnait des résidus acide sialique. Neuraminidase : glycoprotéine! clive les liaisons entre résidus acide sialique. Pour le virus de la grippe, existence de 9 types (N1 à N9). L enveloppe virale des virus enveloppés provient de la cellule hôte BioGen DC Gillan UMons 35

36 Bourgeonnement de virions Bourgeonnement de virions Photographie au microscope électronique à transmission (MET) BioGen DC Gillan UMons 36

37 1952. Expérience de Alfred Hershey et Martha Chase. Expériences sur le phage T2 avec du 32 P et 35 S. Le phage T2 s attache à E. coli et injecte «quelque-chose» 20 minutes après l injection, la cellule est lysée, et de nombreux phages sont libérés. Phages T2 marqués au 32 P (ADN marqué, pas les protéines) - Infection E. coli - Agitation juste après l infection : détachement des capsides vides - Centrifugation Phages vides (suspension) 2 fractions Bactéries infectées (culot) L essentiel de la radioactivité se trouve dans les bactéries infectées BioGen DC Gillan UMons 37

38 Phages T2 marqués au 35 S (Protéines marquées, pas l ADN) - Infection E. coli - Agitation juste après l infection : détachement des capsides vides - Centrifugation Phages vides (suspension) 2 fractions Bactéries infectées (culot) L essentiel de la radioactivité se trouve dans les têtes de phage vides Conclusions : - C est l ADN qui est injecté dans les cellules, pas les protéines. - L ADN injecté possède toute l information nécéssaire pour regénérer de nouveaux phages. Le matériel génétique est l ADN, que cela soit pour les cellules ou les virus. Confirmation des expériences de Griffith, Avery, etc... BioGen DC Gillan UMons 38

39 La réplication de l ADN Les cellules contenant de l ADN se multiplient et transmettent leur information génétique aux cellules filles. Comment l ADN se réplique t il? Hypothèse de Watson et Crick (1954) : avant la réplication, les liaisons H sont rompues. Les deux chaînes se déroulent et se séparent. Chacune agit alors comme une matrice. En fin de processus on obtient 2 hélices de séquence identique. A C T A G C T G A T C G A T C G T A A G C T A A T C G T A T C G Trois modèles de réplication sont possibles A. Modèle conservateur Les deux brins parentaux se réassocient après avoir joué le rôle de matrice. ADN parental première réplication 2e réplication BioGen DC Gillan UMons 39

40 B. Modèle semi-conservateur Les deux brins parentaux ne se réassocient pas après avoir joué le rôle de matrice. ADN parental première réplication 2e réplication C. Modèle dispersif Chacun des brins des deux molécules filles est un mélange d ADN ancien et d ADN néosynthétisé. ADN parental première réplication 2e réplication BioGen DC Gillan UMons 40

41 La réplication de l ADN est semi-conservative 1958 : Expérience de Meselson et Stahl - Culture d E. coli dans un milieu contenant un isotope lourd de l azote : le 15 N. - Transfert dans un milieu sans 15 N et suivit sur 2 générations (extraction d ADN et étude de sa densité sur gradient de CsCl). Extraits d ADN centrifugés ADN léger ADN hybride ADN lourd Cellules parentales génération 1 génération 2 Centrifugation isopycnique Séparation de l ADN plusieures heures à g BioGen DC Gillan UMons 41

42 100% lourd 100% hybrides 50% hybrides 50% léger ADN léger ADN hybride ADN lourd Cellules parentales génération 1 génération 2 Mécanisme de réplication de l ADN E. coli 20 min. cellule mère 2 cellules filles génétiquement identiques Un seul chromosome (ADN circulaire) de bases (4,6 Mpb) Rapidité et précision Implication de 12 protéines. Mieux connu chez les bactéries. Homme : 23 paires de chromosomes. Réplication en quelques heures. Génome haploïde : bases (femme) Génome diploïde : bases (6 354 Mpb) x E. coli BioGen DC Gillan UMons 42

43 Le point de départ : les origines de réplication Bactéries : 1 chromosome circulaire, 1 origine de réplication : Séquence particulière. Une protéine particulière s y attache et sépare les deux brins. «oeil» de réplication «Oeil» de réplication = réplicon La réplication se fait dans les deux sens origine Fourches de réplication (Y) vitesse d élongation : 500 nucléotides / seconde BioGen DC Gillan UMons 43

44 Eucaryotes Chromosomes linéaires à plusieurs origines de réplication Réplication dans les deux sens. réplicon 1 réplicon 2 réplicon 3 Tout oeil de réplication finit par fusionner avec un autre Vitesse d élongation : 50 nucléotides / seconde (car l ADN est associé à des protéines) Fourches de réplication L élongation (formation) du nouveau brin d ADN est catalysée par une enzyme appelée ADN polymérase. Chez Procaryotes : existence de 5 types d ADN polymérase (I, II...) Chez Eucaryotes : il existe 11 ADN polymérases Le mécanisme à été décrit par Arthur Kornberg en 1953 (découverte de l ADN polymérase I). Prix Nobel en 1959 (avec Severo Ochoa). BioGen DC Gillan UMons 44

45 Les ADN polymérases utilisent des nucléosides triphosphate comme monomères pour synthétiser l ADN Adénine Guanine Cytosine Thymine Désoxyadénosine 5 -triphosphate = datp Désoxyguanosine 5 -triphosphate = dgtp Désoxycytidine 5 -triphosphate = dctp Désoxythymidine 5 -triphosphate = dttp dntp base P P P 3 OH Désoxyadénosine 5 -triphosphate 5 Les ADN polymérases ont besoin d une amorce avec extrémité 3 -OH. Elongation : dans le sens 5-3 brin matrice 3 base base base base base base 5 amorce base base base base P P P 3 5 P 3 5 P 3 5 P 3 5 OH base Les dntp ne sont ajoutés qu en 3 Après l attachement un pyrophosphate est relâché P P P P P 3 5 OH BioGen DC Gillan UMons 45

46 Exemple chez les Bactéries : 3 -ATCGGTAACGCGATTACGTACG-5 5 -TAGCCATT-3 Amorce complémentaire Polymérase III La chaîne s allonge dans le sens 5 3 L élongation antiparallèle amorce 5 Brin discontinu : Plusieurs amorces sont nécéssaires. Plusieurs fragments synthétisés et reliés par l ADN ligase 3 ADN polymérase III s éloigne de la fourche # brin discontinu (tardif, rétardé) Lagging strand ADN polymérase III se rapproche de la fourche # brin continu (directeur, précoce) Leading strand Fragments d Okazaki : nucléotides chez E. coli nucléotides chez Eucaryotes amorce BioGen DC Gillan UMons 46

47 Fragments d Okazaki 5 amorce 3 brin discontinu (tardif, rétardé) 5 amorce 3 5 ADN polymérase III se rapproche de la fourche # brin continu (directeur, précoce) Sens général de la réplication 3 amorce 5 3 Amorces L amorce est un court brin d ARN de 5-10 nucléotides Synthétisé par la primase Les amorces d ARN sont ensuite remplacées par de l ADN Ceci est réalisé par l ADN polymérase I L ADN ligase relie tous les fragments BioGen DC Gillan UMons 47

48 Autres protéines importantes dans la réplication Hélicase : sépare les deux brins en brisant les liaisons H (consomme ATP). Ce déroulement cause des torsions importantes. Topoisomérase : enzyme qui fait diminuer les torsions générées par l hélicase. Coupe et recolle un brin. Protéines fixatrices d ADN monocaténaire (= SSB, single-strand binding proteins). Se fixent sur l ADN monocaténaire pour le stabiliser. BioGen DC Gillan UMons 48

49 Le réplisome En résumé, au moins 7 protéines interviennent dans la réplication de l ADN chez E. coli. Primase ADN polymérase III (complexe 10 enz.) ADN polymérase I ADN ligase Hélicase Topoisomérase Protéines SSB Ces protéines forment un grand complexe : le réplisome Toutes les protéines interagissent entre-elles (ex : l hélicase fonctionne plus vite si elle est en contact avec la primase) BioGen DC Gillan UMons 49