L3 CBPS Biochimie Structurale. Partie «Acides nucléiques»

Partie «Acides nucléiques»

ITRDUCTI Les acides nucléiques ont été caractérisés chimiquement au début du 0 ème siècle. Les acides nucléiques, AD et AR, sont constituées de nucléotides qui sont les briques élémentaires de la transmission de l information génétique. Ils jouent également un rôle fondamental dans le métabolisme sous forme diet tri-phosphorylée ainsi que dans la transmission de l information dans la cellule (AMPc et MPc).

A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques - Structure - Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Tautomérie c- Densités de charge et liaisons hydrogène II- ucléosides et nucléotides - Structure des sucres et de l acide phosphorique - Structures et nomenclature 3- exemple de l ATP

ucléotides : - base azotée Phoebus Levene 869-940 -sucre - acide phosphorique

sortes de bases azotées hétérocycliques bases pyrimidiques (noyau pyrimidine) bases puriques (noyau purine) 3 4 5 6 7 5 8 6 3 4 9

bases pyrimidiques bases puriques 4 3 5 6 4 3 5 6 4 3 5 6 cytosine (C) C 3 thymine (T) 5-méthyl-uracile uracile (U) adénine (A) guanine () 6 5 3 4 6 5 3 4 7 9 7 9 8 8

Il existe des bases pyrimidiques modifiées (chez les phages etc ) ainsi que des analogues synthétiques de ces bases (utilisés en thérapeutique anti-tumorale - 5-FU par exemple). 3 4 5 C 3 3 4 5 C 6 6 5-méthylcytosine 5-hydroxyméthylcytosine X = F, Cl, Br, I 3 4 5 6 X 5-halogéno-uracile Inhibiteur du métabolisme des nucléotides

Beaucoup d autres purines existent : acide urique, caféine C 3 caféine C 3 théophylline théobromine C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 - acide urique (goutte)

Les bases azotées absorbent dans l U.V. Absorbance 0 Ac.ucl. Protéines 0 40 60 80 300 30 340 A 60 A 80 =,8 Longueur d onde (nm) U T C A λmax (nm) 60 70 70 60 45 75 ε (M -.cm - ) 7-8000 3000 000 8000 Moyenne 60-70 0000 «Qualité» de l acide nucléique Quantité d acide nucléique D.. 60nm = solution d AD double brin à 50 µg/ml

Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons Équilibre amino-imino (cytosine) Équilibre énol-cétone (thymine-uracile) 3 4 5 6 3 4 5 6-3 4 5 6 + 3 4 5 6 3 4 5 6 99,99% 0,0% Ces espèces moléculaires sont en équilibre en solution : équilibre fortement déplacé vers la forme amino. En solution forme cétone prédominante quelque soit le solvant (faux pour certaines bases substituées).

La répartition des électrons à la surface des bases azotées n est pas uniforme d où des molécules polarisées. +0,9-0,49 C 3 / -0,45 +0, +0, -0,4-0,65-0,5 R T/U R C +0, +0, -0,4-0,55-0,5 +0, +0, -0,4 +0, -0,5 A -0,5-0,64 R -0,55 R

Les densités de charges déterminent les positions et les orientations des liaisons hydrogène. La liaison est directionnelle i.e. l interaction est optimale quand les 3 atomes sont dans l axe (possibilité également avec un angle : interaction plus faible). δ + δ - Les flèches bleues et roses expliquent la complémentarité A=T et ΞC. Plusieurs possibilités de liaisons existent : dans la nature, seules certaines interactions sont retrouvées. A côté de l appariement classique A=T et ΞC, il existe des couples =A ou =T.

L équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles. R T/U C 3 / R T/U C 3 / -0,65 +0, -0,5 3 4 5 R C 6 +0, -0,4 devient l équivalent de C on peut alors avoir T

L équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles. C 3 / C 3 / R T/U R T/U l hydrogène peut se positionner d un côté ou de l autre

sortes de sucres C C D-ribose C C 4 C D-désoxyribose ( -désoxyribose) C 4 3 3 AR AD pentoses sous forme furanique (5 atomes dans le cycle)

acide phosphorique : 3 P 4 pk a = pk a = 7 pk a = 0 - P - - Les différentes fonctions acides ont des pk a avec des valeurs très disparates.

Liaison acide phosphorique-sucre : phosphoester P - - C 4 3 / P - C 4 3 /

Liaison base-sucre nucléoside C 4 3 4 5 6 C 6 3 5 4 4 7 9 8 3 3 / / n obtient une liaison carbone-azote : liaison -glycosidique

nucléotides pyrimidiques 4 5 3 6 P C P - - 4 3 3 C C 4 3 5 6 4 3 désoxycytosine--monophosphate (dcmp) désoxythymidine--monophosphate (dtmp)

nucléotides puriques 6 7 5 8 4 9 3 P C P - - 4 3 C 4 3 7 8 9 5 4 6 3 désoxyadénosine--monophosphate (damp) désoxyguanosine--monophosphate (dmp)

MECLATURE type de base base azotée nucléoside nucléotide purine purine pyrimidine pyrimidine pyrimidine adénine (AD/AR) guanine (AD/AR) thymine (AD) uracile (AR) cytosine (AD/AR) adénosine guanosine thymidine uridine cytidine adénylate guanylate thymidylate uridylate cytidylate Le préfixe désoxy- ou désoxyribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du désoxyribose. Le préfixe ribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du ribose.

Dans les cellules les nucléosides sont retrouvés sous forme mono, diet triphosphates. liaisons anhydride d acide pka = 7 liaison phosphoester P P P - - - adénine adénosine AMP ou adénylate ATP C ADP La valeur du pka de la nde fonction acide du dernier acide phosphorique est de 7 : à p 7, 50% forme ATP 4-, 50% forme ATP 3-. 4 3 7 8 9 5 4 6 3 -glycosidique

B- STRUCTURES SPATIALES Introduction I- Aspects descriptifs (rappels de L/L) - Enchainement des nucléotides : la liaison phosphodiester - Structure de l hélice d AD II- Interactions - Liaisons hydrogène - Isomorphisme et énergies d empilement 3- Interactions avec l eau et les sels minéraux 4- Interactions AD petites molécules III- Aspects dynamiques - Dénaturation renaturation d AD (fusion) - Respiration de l AD

Il existe sortes d acides nucléiques : Les acides ribonucléiques (AR) : ribose + phosphate + bases A, U,, C. Les acides désoxyribonucléiques (AD) : désoxyribose + phosphate + bases A, T,, C. L enchainement des nucléotides constitue la structure primaire de l acide nucléique. Les nucléotides sont liés les uns aux autres par une liaison phosphodiester. Les acides nucléiques ont, pour la plupart, une structure secondaire et une structure tertiaire qui leur confère une fonction biologique.

P - C--P--C C 3 C 4 3 P C Liaison phosphodiester - 5 6 4 3 ptppapc 3 4 3 P TAC ou TgAC ou tgac Thymine (T) - 8 7 9 5 4 C 6 3 4 3 P - 8 7 9 uanine () 5 4 C 6 3 4 3 5 6 Adénine(A) 4 3 Cytosine (C) P P P P 3 3 3 3 3 T A C

Complémentarité des bases nombre de A = nombre de T nombre de C = nombre de une chaîne d AD polya s hybride avec une chaîne d AD polyt une chaîne d AD poly s hybride avec une chaîne d AD polyc Appariement de Watson et Crick : A T C

Francis Crick ( 004) James Watson obel 964 003 : 50 ans après la découverte de la structure de l AD

Les deux chaines d acides nucléiques sont antiparallèles. Les chaînes de phosphate et de sucre sont à l extérieur de la structure. Les bases azotées sont à l intérieur et forment des liaisons hydrogène entre elles.

AD B grand sillon Vue de dessus 0 pb 3,4 nm phosphate petit sillon

Les acides nucléiques sont retrouvés sous forme de divers types d hélices Vues de dessus AD A,8 nm AD B AD-A AD-B AD-Z AD Z Atomes des sucres Atomes des phosphates Atomes des bases

Caractéristiques des différents types d hélices retrouvés dans les acides nucléiques élice A élice B élice Z Sens de l hélice Diamètre Résidus par tour Ecart entre pb Pas de l hélice Rotation de l hélice par résidu Inclinaison normale des bases vers l axe de l hélice droit droit gauche,6 nm,0 nm,8 nm 0 (6 dimères) 0,6 nm 0,34 nm 0,37 nm,8 nm 3,4 nm 4,5 nm 33 36-60 (par dimère) 0 6 7

AD-A AD-B AD-Z

Il existe 8 modes d associations entre les bases. Les plus fréquents, et les plus stables, sont les paires A=T et ΞC de Watson et Crick. Appariement de Watson-Crick 7 kcal/mole 7 kcal/mole T C A D autres appariements, plus ou moins stables, interviennent notamment dans les phénomènes transitoires liés à la dynamique des systèmes : paires de oogsteen.

Appariement de oogsteen U U A A Paire de oogsteen A=U Paire de oogsteen A=U «inverse» Les formes tautomères permettent des appariements rares (imino, A*=C, A*=A, *ΞT, ΞT*). Il en est de même avec la protonation.

Les paires T=A et CΞ sont isomorphes (même forme) : cela donne des unités rectangulaires aux dimensions identiques parfaitement empilables. 0 Å 5 Å 3,4 Å Les paires purine-purine () sont trop larges alors que celles pyrimidine-pyrimidine (CC) sont trop étroites. Les interactions verticales d empilement jouent un rôle important dans la stabilité des acides nucléiques double brin. purine purine pyrimidine purine > > pyrimidine pyrimidine

AD B squelette 36 paires de base sucres phosphates Les moments dipolaires d une base se trouvent au dessus de la partie aromatique polarisable de la base du dessous : interaction de nature dipôle-dipôle induit + effet hydrophobe.

AD B L interaction avec l eau stabilise les structures II aires des acides nucléiques d au moins façons : - réduction des répulsions électrostatiques phosphatephosphate proches dans l espace - exposition des groupes hydrophiles (phosphates, sucres) à l extérieur. Les phosphates sont exposés à 00% alors que les bases sont masquées à 80%. Les interactions avec l eau se font à principalement avec les phosphates et les sucres. n trouve des réseaux d eau structurés dans les sillons majeurs et mineurs de l AD.

AD B Les ions divalents (Mg +, Cu + ) peuvent respectivement stabiliser ou déstabiliser l AD. - =P--C Mg + - -P--C Le magnésium transforme une répulsion -/- en (+/-) : stabilisation de l hélice (augmentation de la température de fusion de l AD). Le cuivre se lie avec les bases ( et ) : déstabilisation de l AD (diminution de la température de fusion de l AD).

n retrouve de l eau fortement liée à l AD (cristal liquide). Une molécule se lie à un sillon de l AD en chassant les molécules d eau (cas de certains antibiotiques qui s insèrent dans un des sillons de l AD). D autres antibiotiques s intercalent entre les bases. n se sert au laboratoire de la propriété de certaines molécules à s intercaler entre les bases des acides nucléiques pour les visualiser sur gel ou les quantifier (qpcr) : la molécule la plus connue est le bromure d éthidium. étropsine (rouge) 3 + Br - C -C 3 Daunomycine (rouge) bromure d éthidium (BET)

Dénaturation/Renaturation de l AD Densité optique 60 nm %C = 30% %C = 50% %C = 70% Applications : southern/northern blot Puce AD Empreintes génétiques Tm=63 C Tm=70 C Température ( C) Tm=80 C

A des températures inférieures au Tm, l AD double brin est globalement stable. Cependant, il se produit des dissociations sur un nombre limité de paires de bases. Ces dissociations sont dues à des transitions syn-anti (rotations de bases au dessus du sucre) ou bien à des transitions dans la forme du cycle furanique du sucre. Ce type de phénomènes est rapide (0-6 sec environ) et permet les interactions entre molécules, insertions d intercalants, transitions locales AD B-AD Z, etc

C- REACTIVITE CIMIQUE I- Liaisons phosphodiester et -glycosidique - Liaison phosphodiester/cas particulier des AR - Liaison -glycosidique II- Induction de mutations - Réactivité des bases azotées vis-à-vis de nucléophiles - Action des rayonnements ionisants 3- Réactivité des bases azotées vis-à-vis d électrophiles D- SEQUEÇAE DE L AD I- Méthode chimique : Maxam et ilbert II- Méthode enzymatique : Sanger

Les mono- et diesters phosphorique sont très stables vis-à-vis de l hydrolyse acido-basique. Ceci est essentiel pour le rôle biologique qu ils jouent dans l AD, l AR, les phospholipides. Cette stabilité est due à la charge négative portée par l oxygène (fonction acideaupk a le plus faible) qui contrarie les réactions d addition ou de substitution nucléophile.

Cas particulier important : la sensibilité de l AR à l hydrolyse alcaline P--C 4 5 3 - =P- - -C B 3 3 - B P--C P - B 3 - =P- - 3 3 =P- - L AR est donc sensible à l hydrolyse alcaline et pas l AD. application : élimination des contaminants AR dans une préparation AD

Les liaisons -glycosidiques sont plus sensibles à l hydrolyse acide que les liaisons phosphodiesters. Les liaisons ribose-purine (A,) sont beaucoup plus sensibles que les liaisons ribose-pyrimidine (U,C). In vivo qu'est-ce qui cause une dépurination? Effet de la chaleur ou d'un environnement localement plus acide. La vitesse de dépurination dans une cellule humaine a été estimée : 0 - sec - /paire de base. 0000 dépurinations/jour/cellule. Système de réparation : endonucléases apuriniques/apyrimydiques In vitro une dépurinisation sélective est possible. da,d ra,r 0, M Cl, 00 C, 30 min M Cl, 00 C, h

Propriété de la fonction imino-amine en conditions acides 6 3 5 4 7 R adénosine 8 9 pk a =3,5 + 6 3 5 4 7 9 R 8 formes mésomères + 6 3 5 4 7 9 R 8 vrai aussi pour cytidine et guanosine

La liaison -glycosidique entre désoxyribose et base purique est facilement clivée en milieu acide : présence d un hydrogène porté par l azote 3 de la base purique. 6 7 5 6 4 8 7 5 3 9 8 4 P C 9-3 MAXAM ILBERT 4 + C 4-3 3 P catalyse intramoléculaire + phosphosucre + base

Les bases azotées sont des molécules polaires et ne sont pas chimiquement inertes. Les bases A,,C,T,U ont des atomes nucléophiles et d autres électrophiles : réactions transitoires ou définitives (alkylations) avec de nombreuses substances. Un certain nombre de modifications chimiques vont pouvoir entraîner des mutations qui pourront devenir définitives lors d une réplication ultérieure de l AD.

Sites d attaques nucléophiles C 4 C 6 /C 3 4 3 6 5 7 5 6 4 8 3 9 C R C R 8 6 uracile/thymine C adénine C 4 C 6 3 4 5 6 R cytosine C 6 C 6 3 5 4 7 9 R guanine 8 C 8

FRMES MESMERES uracile/thymine 3 4 /C 3 5 6 + 3 4 5 6 /C 3 3 4 5 6 + /C 3 R R R Il pourra y avoir addition nucléophile sur la double liaison C 5 -C 6.

EFFET MUTAEE DU BISULFITE S - 3 C U + C 3 4 4 5 3 5 6 6 R 3 R S= S= U 3 4 5 6 R 3 4 5 6 R + - 3 4 5 6 R S= 3 4 5 6 Le bisulfite est utilisé dans la conservation des vins de table et jus de fruits (E). S= R 3 S=

Désamination C U ATAATACTATAA TACTTACTACTCATT ATAATAUTATAA TACTTACTAACTCATT réplication ATAATACTATAA TACTTACTACTCATT réplication réplication ATAATAUTATAA TACTTACTACTCATT ATAATAUTATAA TACTTACTAACTCATT ATAATATTATAA TACTTACTAACTCATT ATAATACTATAA TACTTACTACTCATT ATAATACTATAA TACTTACTACTCATT

EFFET MUTAEE DE L ACIDE ITREUX ( ) C U et A Cytosine Uracile Adénine Adénine ypoxanthine Cytosine Le nitrate de sodium, a 3, est utilisé comme conservateur (E5) dans l'industrie agro-alimentaire (salaisons, viandes fumées, charcuterie ). Dans l'estomac le nitrate de sodium est transformé en acide nitreux.

DERADATI DES PYRIMIDIES PAR YDRAZILYSE 3 4 5 6 R thymine C 3 - + - 3 3 4 5 6 C 3-3 4 5 R R 6 3 - C 3 MAXAM ILBERT --C- R 3 + C 3 5 4 6 Cela marche aussi pour U et C. En présence de acl M seules les cytosines seront dégradées.

Il s agit de rayonnements γ, β et des rayons X : énération d espèces réactives de l oxygène et de radicaux libres oxydation des bases et enchaînement de réactions radicalaires (coupures de brins d AD ). Utilisation 6 7 en radiothérapie 6 5 7 5 4 8 4 8 3 9 3 9 (traitement de certains cancers : R adénine os, cerveau, prostate ) hydroxyadénine Marche aussi avec R

Sites d attaques électrophiles 3 3 4 5 R 6 uracile/thymine 4 6 7 /C 3 3 6 3 5 4 7 9 8 R adénine 3 3 4 5 6 R cytosine 4 3 7 6 3 5 4 6 7 9 R guanine 8 7

Le benzopyrène est une molécule présente dans l'environnement (fumée de cigarettes, incinérateurs ) qui va être métabolisée en BPDE (monooxygénase, Cyt P450) et va réagir avec les guanines de l'ad. benzo(a)pyrène chaîne cytosine chaîne guanine chaîne guanine benzo(a)pyrène diol époxyde (BPDE)

Cis platine (cis diamino-dichloro-platine II) Pt II Cl 7 Cl Le cis platine peut ponter deux guanines par leur 7 dans un même brin : molécule utilisée en chimiothérapie.

iodure de méthyl : C 3 -I diméthylsulfate S Réactivité avec 7 >> A > 3 C et 3 T C 3 - -C 3 méthylnitrosourée (MU) C 3 éthylnitrosourée (EU) C -C 3

diméthylsulfate S C 3 - -C 3 Rupture de la liaison -glycosidique C 3 MAXAM ILBERT guanine R +

Le séquençage de l AD a permis et permet à la biologie de progresser rapidement dans l acquisition de nouvelles connaissances. Il existe méthodes de séquençage de l AD. Méthode chimique Maxam & ilbert BEL 980 Méthode enzymatique Sanger BEL 980 Walter ILBERT (93- ) Frederick SAER (98- )

Méthode chimique : Allan Maxam et Walter ilbert Méthode développée au début des années 970. Le principe de la méthode repose : - sur le marquage radioactif du brin d AD à séquencer (permet une identification par autoradiographie) - de coupures spécifiques mais incomplètes (une coupure par molécule) - séparation des fragments par électrophorèse (PAE)

Principe 3 3 3 P Marquage au Traitement par enzyme de restriction 3 3 3 P 3 3 P 3 «ros morceau» «Petit morceau» 4 types de traitements chimiques + 3 3 P 3

3 P C A T A T C A T C diméthyl sulfate hydrolyse acide (C 88%) hydrazine hydrazine/acl M méthylation des dépurination sélective +A dégradation des pyrimidines T+C PIPERIDIE M dégradation spécifique C MDIFICATI CIMIQUE AVEC TRES FAIBLE REDEMET ( MDIFICATI PAR MLECULE D AD) CUPURE AU IVEAU DES BASES MDIFIEES U ABSETES

Réaction de β élimination R -P--C C= -P-- R pipéridine R -P--C C= -P-- R - R -P- + + = C 3 -P-- C= R coupure de l AD

3 P C A T A T C A T C +A T+C C C C C A C A C AT C AT C A T C AT C A T C A T A C A T A C ATAT C ATAT C A T AT C AT A T C AT A T C A T AT C AT A T C AT A T C A T A T C A T A T C A T A T C AT A T C AT A T C C A T A T C C A T A T C A C A T A T C A C AT A T C A T C AT A T C A T C A T A T C A T C A T A T C A C T A T A T C A T C AT A T C A T C A T A T C A T C

3 P C A T A T C A T C SEPARATI DES FRAMETS D AD PAR PAE 3 C T A C T A T A C +A T+C C - +

Foot printing 3 3 3 3 3 protéine 3 Foot print

Foot printing : Dase I ydrolyse acide ydrazinolyse Protéine (nm)

Méthode enzymatique : Sanger Méthode également développée au début des années 70. Le principe de la méthode "manuelle" repose : - sur l utilisation de l AD polymérase I - d un oligonucléotide complémentaire de la partie d AD à identifier (amorce) - d un mélange de dtps (datp,dctp,dttp, dtp) dont un sera radioactif (α ). - d un ddtp (didésoxyribonucléoside triphosphate) Cette méthode a servi au séquençage du génome humain.

-C B -C B 3 C A T A T C A T C A T C 3 C T A C T A C C C T A C AD à séquencer AD polymérase I amorce complémentaire (large excès) mélange des 4 dtps (dont radioactif) 3 C A T A T C A T C 3 amorce ddtp différent selon le tube 3 C T A C T A C C C T A C

3 CATC A T C A T C 3

dd A C dd A C C C T A C dd A C T A C CC C C T A C A T C dd T A C dd T A C C C T A C dd T A C T A C C C T A C dd dd dd dd dd dd C TT A C CC TT A C C CC T A C CT A CCC T A C C C TT A C TT A CCC TT A C dd TT A C TT A C CC C C TT TA C dd dd T A C 3 C T A C T A C C C T A C A T C - + 3 Séquence du brin complémentaire C T A C T A C C C T A C

Lecture du brin complémentaire de vers 3 Autoradiogramme d un gel de séquence d AD (polyacrylamide) 400 bases / gel

séquençage automatisé de l AD ACIDES UCLEIQUES amorce AD de séquence inconnue AD polymérase 4 dtps 4 ddtps fluorescents dénaturation Fragments d AD fluorescents obtenus par copie de l AD de séquence inconnue migration de l AD Fragments d AD fluorescents sont séparés par électrophorèse capillaire détecteur faisceau laser laser éléctrophorégramme après traitement informatique