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ADN et ARN

Les acides nucléiques

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.

Eau. Sels minéraux. Molécules organiques.

I. Les nucléotides

1. Les éléments constitutifs des nucléotides

1) Les bases
2 types de bases: pyrimidiques et puriques.
Le premier type de bases: les bases pyrimidiques
Exemple de bases pyrimidiques. ADN a pour bases ATGC, ARN a pour bases AUGC Le deuxième type de bases: les bases puriques Exemple de bases puriques.

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.

2) Les oses
2 types d’oses sont rencontrés dans les acides nucléiques.

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.

Nomenclature
Bases puriques Adénine A Guanine G Hypoxanthine
Nucléoside Adénosine Guanosine Inosine
Nucléotide AMP (Adénosine (5’) Monophosphate) ou Acide adénylique GMP (Guanosine (5’) Monophosphate) ou Acide guanylique IMP (Inosine (5’) Monophosphate) ou Acide inosinique

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

Quand l’ose est le désoxyribose
Bases pyrimidiques Uracile U Thymine T Cytosine C
Nucléoside Uridine Thymidine Cytidine
Nucléotide UMP (Uridine (5’) Monophosphate) ou Acide uridylique TMP (Thymidine (5’) Monophosphate) ou Acide thimidylique CMP (Cytidine (5’) Monophosphate) ou Acide cytidilique

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

Exemple. ATTENTION: le D est différent du d (ADN).

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
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

Il y a deux grands types d’acides nucléiques: l’ADN et l’ARN.

1. L’ADN: acide désoxyribonucléique

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

La structure de cet ADN

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

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.

On a une spirale régulière
Z-ADN

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

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

Caractéristiques de cette dénaturation
les 2 brins d’ADN se ré-hybrident selon les règles de complémentarité, par affinité: renaturation.
Résumé: de l’ADN nucléiaire
  1. 1) Bicaténaire.
  2. 2) Brins antiparallèles.
  3. 3) Brins complémentaires.
  4. 4) Hélicoïdal.
  5. 5) Flexibilité - structure dynamique.
  6. 6) Dénaturation – renaturation in vitro.
ADN mitochondrial
ADN des différents êtres vivants: Eucaryotes (E) / Procaryotes (P)
Similitudes
Différences

2. L’ARN: acide ribonucléique

1) ARN: caractéristiques
Bases
En termes de structure
Majoritairement, 4 ARN ont un rôle dans la synthèse protéique
Autres fonctions
2) Organisation de l’ARNr: ribosomaux
L’ARNr = inclut dans des particules cytoplasmiques
Ces ribosomes ou ARNr sont constitués de deux sous-unités
Les ribosomes sont des complexes multienzymatiques (ce ne sont pas des protéines mais ils sont faits de protéines) constitués
3) Structure de l’ARNt

L’ARNt est beaucoup moins volumineux 100 nucléotides.

Quelques bases atypiques
Cette forme spatiale est en « feuillet de trèfle »: repliement de brin d’ADN monocaténaire
Cette forme spatiale est caractérisée par 2 sites fonctionnels importants dans la synthèse protéique.
a) L’extrémité 3’OH libre (branche)
b) L’anticodon

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