BILGIE MLECULAIRE (Stage de pré-rentrée UE1) Bases structurales des nucléotides et des acides nucléiques
bjectifs Rappels de quelques notions de lycée. Comprendre comment la molécule d AD est structurée dans l espace et comment elle est compactée dans la cellule Avoir une idée de la structure de différents types d AR pour envisager l étude de leurs interactions au cours de la genèse des polypeptides.
lan 1. Généralités 2. Biochimie structurale des nucléotides *Les bases azotées *Les sucres *Les nucléosides *L acide phosphorique *Les nucléotides et désoxy-nucléotides 3. Biochimie structurale de l AD *olymérisation du simple brin *La double hélice d AD 4. Biochimie structurale des AR *AR messagers (ARm) *AR ribosomaux (ARr) *AR de transfert (ARt) 5. De l AD nu aux chromosomes
1. Généralités L AD (Acide désoxyribonucléique) Il s agit d une macromolécule d acide nucléique présente dans toute les cellules vivantes (sauf exception), parfois même dans certains virus. L AD renferme l information génétique, qui correspond en première approximation à des successions non aléatoires de base azotées (A, T, C, G). Exemple: AAGATTGAGAGGTCCCACAGAAGTCTGAACCAGGGGTGGGGA Il est transmis cellules par cellules au cours du processus mitotique. L AD est également le support de l hérédité, le père et la mère transmettant chacun 50% du génome (Génome = Ensemble de l IG) à l enfant à naître. our l anecdote, l ensemble de l information génétique transmise par l un des deux parents pourrait s écrire en 3 milliards de lettres, soit une bibliothèque de 7000 livres de 300 pages!
otion de «gène» En simplifiant, les gènes sont des séquences particulières : Qui peuvent être transcrites en AR dit «messager» (ARm) ou plus rarement un autre type d AR fonctionnel (Exemple: ARt «de transfert» ) L ARm peut être traduit en une protéine, possédant une fonction particulière. Ainsi, par le biais des gènes, l AD oriente la construction de la cellule et de ses constituants et détermine un «phénotype» cellulaire. La transcription de ces gènes est très finement contrôlée. Ainsi, l AD est à la fois : Commandeur : En permettant l expression de protéines fonctionnelles Commandé : Des signaux régulateurs activent l expression de tel ou tel gène selon le type cellulaire.
Aspect et localisation chez l homme: - Dans le noyau: 46 molécules d AD linéaire condensées en chromosomes (Chromosome = AD + protéines) Caryotype humain 2n = 46 Homme espèce diploïde (2n) = Génome organisé par paires de chromosomes homologues 22 paires d autosomes + 1 paire de gonosomes XX ou XY Chaque parent apporte un chromosome de chaque paire (Gamètes haploïdes: n = 23) - Dans les mitochondries: lusieurs copies d une même molécule d AD circulaire comme chez les bactéries, codant les ARt mitochondriaux et certaines protéines mitochondriales (pas toutes!) Exemple: Complexe AT synthase
3. Biochimie structurale des nucléotides La molécule d AD se présente comme un polymère de désoxy-nucléotides dat, dgt, dtt, dct. Dans un premier temps, nous aborderons donc l étude des nucléotides AT, GT, TT, CT et des molécules qui les composent.
Les bases azotées Il existe deux noyaux fondamentaux -urine Adénine Guanine 7 5 6 1 8 9 -yrimidine 4 3 2 Thymine Cytosine 5 6 1 4 3 2 + Autres bases azotées: Uracile (y), Xanthine (u), Hypoxanthine (u)
Les sucres Sans rentrer dans les détails, un sucre (ou «ose», ou «monosaccharide») est un hydrate de carbone de formule brute C n (H 2 ) n Le ribose est un exemple de pentose (5 carbones) 2 1 5 4 3 4 3 2 1 5 Les oses sont cyclisables (Hémi-acétalisation, sera vu en chimie organique) Remarque: Seules les fonctions H en 2, 3 et 5 sont des fonctions alcools dans la molécule de ribose cyclisée (le H en 1 appartient à une fonction hémi-acétal R-C(H,H)--R )
ucléosides Base azotée + se = ucléoside C est la fonction H «1» du ribose qui assure la liaison avec un atome d azote de la base azotée (Cette liaison est dite «-osidique») Exemples de ucléosides: H 2 Adénosine Guanosine H H H H 2 H H H H H 2 Cytidine Ribothymidine (exception!) H 3 C H H H H H H H
L acide phosphorique H 3 4 Il forme un couple acide base avec l ion phosphate 4 3- L acide phosphorique est ionisé à ph physiologique. H H H - - + 3 H + - L ion phosphate est très majoritairement intra-cellulaire. Il est souvent symbolisé i plutôt que 4 3- (our hosphate Inorganique) Il joue un rôle important en biochimie métabolique ou structurale (Entre dans la composition des nucléotides par exemple) et dans les voies de signalisation en biologie cellulaire. C est une molécule à connaître +++! L acide phosphorique se comporte comme un acide carboxylique H H R C H H
Ils forment avec les alcools des esters minéraux (et non organiques) hosphoester H H + R H H R + H 2 H H Encore mieux: H H R + R' H H hosphodiester R' R + H 2 Comme les acides carboxyliques, ils forment des anhydrides (dans ce cas phosphoriques) avec un autre H 3 4. Ces liaisons anhydrides sont dites «Riches en énergie» H H H + H H H H (Attention, ce qui est entouré en jaune ne représente pas cette fois des fct chimiques) H H H Acide pyrophosphorique + H 2
ucléotides ucléoside + 1, 2 ou 3 phosphate(s) = ucléotide C est la fonction alcool H «5» du ribose qui réagit avec l acide phosphorique pour former une liaison ester minéral. Les liaisons entre les phosphates sont des liaisons anhydrides d acide et n ont pas du tout la même réactivité! Exemples de ucléotides: Cytidine mono-phosphate (CM) Guanosine di-phosphate (GD) Liaison ester H Liaison anhydride «riche en énergie» 2 - - - - - H H 2 H H H H
Un nucléotide important en biochimie: l AT Liaisons anhydrides «riches en énergie» H 2 - - - - En simplifiant beaucoup: H H L AT est la monnaie d échange énergétique de la cellule. Les différentes voies du catabolisme des molécules énergétiques (nutriments: glucides, lipides ) permettent de synthétiser des molécules d AT. L hydrolyse des liaisons anhydrides (AT + H 2 AD + i ou AT + H 2 AM + i) est associé à un relargage d énergie chimique libre: la réaction est dite exergonique. Une réaction endergonique (qui a un «coût énergétique») est impossible si elle n est pas couplée à une réaction exergonique. La biosynthèse des protéines par exemple est couplée à l hydrolyse de l AT (1 molécule d AT consommée par acide aminé).
En biochimie: - les kinases ajoutent au substrat un phosphate - les phosphatases enlèvent au substrat un phosphate IMRTAT +++ H 2 H 2 - - AM = Adénylate H H Kinase Kinase - - - - hosphatase H 2 H H AT hosphatase - - - Désoxy-nucléotides H H Ils sont générés à partir des nucléotides di-phosphate (D) grâce à l enzyme Ribonucléotide Réductase (RR) AD RR - - - osition 2 dad H H H 2
3. Biochimie structurale de l AD L AD est un polymère des désoxy-nucléotides. Les briques élémentaires sont les dt: dat, dtt, dgt, dct Mécanisme: H 2 H H H H.. H H Attaque dite «nucléophile» H H 3 C H H H H (B: Si vous ne comprenez pas, pas d inquiétudes et attendez le cours de Chimie orga!) H H
3. Biochimie structurale de l AD L AD est un polymère des désoxy-nucléotides. Les briques élémentaires sont les dt: dat, dtt, dgt, dct Mécanisme: H 2 H H H H Elimination d un i H H H 3 C H H H H - H H (B: Si vous ne comprenez pas, pas d inquiétudes et attendez le cours de Chimie orga!)
n définit une extrémité 5 hosphate et une extrémité 3 H La polymérisation des acides nucléiques se fait TUJURS de 5 vers 3! Elle continue par une nouvelle attaque nucléophile du 3 H sur un autre phosphate de dt, et ainsi de suite H 2 5 H H H H 5 H H H - H H H 3 C H 2 liaisons esters («pont phosphodiester») 3 H H 3
H H Extrémité 5 hosphate - - - - - H 3 C Squelette désoxyribosephosphate H - (Chargé négativement) H H - Thymine H 2 H 5 Adénine H Guanine H 2 H 2 ar convention, on lit la séquence de 5 vers 3 Adénine La séquence de cet oligonucléotide est: TAGA 3 Extrémité 3 H H H H 2 Cytosine H H H H
Hybridation des bases azotées Jusqu à présent, nous n avons envisagé l AD que sous la forme d un simple brin. Ce simple brin s organise dans l espace en une hélice de pas droit. En fait, les bases de l AD peuvent s associer par paire grâce à des liaisons hydrogènes. Ce phénomène porte le nom d hybridation. Une base purique s hybride avec une base pyrimidique complémentaire. A avec T 2 liaisons hydrogènes C avec G 3 liaisons hydrogènes (lus solide!)
Les forces L AD est soumis à 2 forces opposées -stabilisatrice -déstabilisatrice a) Stabilisatrice = liaisons hydrogènes entre les bases (plus forte entre C et G) plus il y a de bases C-G, plus l AD est stable b) Déstabilisatrice = les phosphates sont chargés les deux brins d AD se repoussent!
Hybridation des bases azotées Deux simples brins s hybrident en une double hélice d AD de pas droit. Les deux brins sont en disposition antiparallèle: 5 A T T C A C G - 3 3 - T A A G T G C 5 Attention : La séquence du second brin d AD doit être lue de 5 vers 3! 3 - T A A G T G C 5 Dans le bon sens 5 C G T G A A T - 3
La double hélice d AD AD = Double hélice de pas droit Squelette externe de phosphates et sucres Bases orientées vers l intérieur. Diamètre = 2 nm (AD nu) Sillon majeur Interaction avec des protéines (Qu on appelle facteurs trans) Sillon mineur Des protéines (moins nombreuses) peuvent s y fixer et induire une courbure de l AD
AD : Vue de profil
AD : Vue au niveau de l axe
4. Biochimie structurale des AR Différentes familles d AR : - ARm (messager) - ARt (de transfert) - ARr (ribosomial) 3 AR principaux Mais aussi - snar - siar et miar Caractéristiques communes des AR : - T est remplacé par Uracile S hybride également avec A car «design» semblable Thymine (T) Uracile (U) - Le sucre est du ribose et non du désoxyribose Ribose
Les ARm (messagers) roduits de la transcription à partir d une portion AD génique. L ARm est sous forme simple brin et plus court que l AD Existence néanmoins parfois de structures secondaires type épingles à cheveux, qui correspondent à des zones où le simple brin d AR s hybride avec lui-même. Ces régions jouent souvent un rôle dans le contrôle de la traduction de cet ARm. Double brin Simple brin Simple brin 5 3
Les ARm (messagers) Ils guident la synthèse des polypeptides au cours du processus de traduction (de 5 vers 3 ). Ils portent les codons (= 3 nucléotides). A chaque codon correspond un anti-codon, auquel est assigné un acide-aminé (otion de code génétique) Il existe un codon initiateur AUG, codant pour Met. Aux codons UAA, UAG, UGA ne correspond pas d ARt, mais un facteur de terminaison protéique sans acide aminé: ces codons sont des signaux de terminaison. = Codon AUG = UAA, UAG ou UGA
Les ARr (ribosomaux) roduits de transcription au niveau du nucléole (lieu de synthèse de nombreux AR non codants, cf. Biologie cellulaire) Structure secondaire très complexe, on est loin de la conception classique de l AR simple brin. Associé à des protéines. L ensemble structure le ribosome, qui est l usine de biosynthèse des polypeptides (traduction des ARm) AR ribosomal 16S (bactéries)
Chez les procaryotes: petite SU 30S, grande SU 50S Chez les eucaryotes: petite SU 40S, grande SU 60S lusieurs ARr : 18S 5S 5,8S 26S 3 cavités: A: Accepteur : olypeptide E: Ejection E A ARm 5 3 Les cavités E,, A accueillent les ARt et sont impliquées dans le processus de traduction
Sous-unité 50s du ribosome procaryote En marron : Acides ribonucléiques En bleu: rotéines
Les ARt (de transfert) etite taille: 70 à 90 nucléotides STRUCTURE III STRUCTURE II En «L renversé» En «trèfle»
Les ARt (de transfert) Séquence CCA en 3, un acide aminé se fixe sur l adénine Anticodon: complémentaire de 3 nucléotides (codon) de l ARm. A ce codon particulier correspond l acide aminé porté par l ARt.
5. De l AD nu aux chromosomes La chromatine Il s agit de la forme dans laquelle on retrouve le matériel génétique dans le noyau des cellules. La compaction sous forme de protéines permet à l AD d être 50 000 fois plus court que déroulé. La chromatine correspond à l AD associé à diverses protéines, et très particulièrement aux protéines histones. La chromatine peut être plus ou moins condensée, ce qui est un élément de régulation de la transcription Chromatine : Se colore très facilement (Colorants basiques +++, l AD étant une molécule acide)
Fibre de 30 nm Fibre de 11 nm Collier de perles Fibre de 2 nm
Fibre de 11 nm «Collier de perles», en anglais «Beads-on-a-string» L AD nu (2nm) forment avec les protéines histones le nucléosome de 11nm de diamètre. Un nucléosome comprend un octamère de protéines histones (2x H2A, 2x H2B, 2x H3, 2x H4) Ces histones sont riches en lysine, acide aminé à chaîne latérale chargée positivement. + H 3 H 2 H L AD chargé «-» adhère
Fibre de 30 nm Assez peu connue. Structure la plus vraisemblable: Solénoïdes L histone H1 stabiliserait les fibres de 11 et 30 nm, mais l histone H1 ne fait pas partie intégrante du nucléosome.