acides nucleiques a- structures primaires b- structures spatiales d- sequenÇage e- complexes...

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

B- STRUCTURES SPATIALES

D- SEQUENÇAGE

E- COMPLEXES PROTEINES – ADN/ARN

F- COENZYMES D’OXYDO - REDUCTION

C- REACTIVITE CHIMIQUE

ACIDES NUCLEIQUES

INTRODUCTION

Les acides nucléiques ont été caractérisés chimiquement au début du 20ème siècle même si leur rôle est resté relativement longtemps inexpliqué.

Les acides nucléiques (ADN, ARN) sont constituées par des molécules relativement simples que l’on appelle des nucléotides.

Les nucléotides sont les briques élémentaires de la transmission de l’information génétique.

Ils jouent également un rôle fondamental dans le métabolisme sous forme di- et tri-phosphorylée ainsi que dans la transmission de l’information dans la cellule (AMPc et GMPc).

ACIDES NUCLEIQUES

Oswald Avery (1944)INTRODUCTION

1877-1955

ACIDES NUCLEIQUES

Travail basé sur une publication de 1928 dont l’auteur est Fred Griffith

2 types de pneumocoques

Expérience d’Oswald Avery (1944)

S (smooth) R (rough)

INTRODUCTION

ACIDES NUCLEIQUES

INTRODUCTION

Travail basé sur une publication de 1928 dont l’auteur est Fred Griffith

Expérience d’Oswald Avery (1944)

RS

ACIDES NUCLEIQUES

S + RS

INTRODUCTION

Expérience d’Oswald Avery (1944)

ACIDES NUCLEIQUES

Souche R + capsule de S

Souche R + lipides de S

Souche R + protéines de S

Souche R + acides nucléiques de S

Souche R + ac.nucléiq. de S + RNase

INTRODUCTION

Expérience d’Oswald Avery (1944)

Souche R + ac.nucléiq. de S + DNase

ADN support chimique de l’hérédité

DONC

ACIDES NUCLEIQUES

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

Nucléotides :- base azotée

- sucre

- acide phosphorique

d’après Phoebus Levene

ACIDES NUCLEIQUES

1869-1940

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

2 sortes de bases azotées hétérocycliques

bases pyrimidiques(noyau pyrimidine)

bases puriques(noyau purine)

N

N1

2

3

4

5

6

N

N

N

N

1

2

3

4

56 7

8

9

ACIDES NUCLEIQUES

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

bases pyrimidiques

cytosine (C) thymine (T)5-méthyl-uracile

uracile (U)

ACIDES NUCLEIQUES

ADN/ARN ADN ARN

N

NH

12

34

5

6

NH2

HN

NH

12

34

5

6

O

O

CH3 HN

NH

12

34

5

6

O

OO H

H

H

H

H

fonction amide fonction amidefonction imino-amine

Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons

ACIDES NUCLEIQUES

N

N

H

12

34

5

6

NH2

O H

HH+H-N

12

34

5

6

NH2

O H

H

N

Echange d’hydrogène entre N1 et N3

Cet équilibre ne concernera pas les bases où N1 est substitué.

1

2

3

ACIDES NUCLEIQUES

Équilibre amino-imino (cytosine)

N

N

H

12

34

5

6

NH2

O H

H HN

N

H

12

34

5

6

NH

O H

H

99,99% 0,01%

En solution ces 2 espèces moléculaires sont en équilibre (équilibre fortement déplacé vers la forme amino).

ACIDES NUCLEIQUES

Équilibre énol-cétone (thymine-uracile)

En solution forme cétone prédominante quelque soit le solvant(peut être faux pour certaines bases substituées).

H-N

NH

12

34

5

6

O

O H

H

H+

21

N

NH

12

34

5

6

O

O H

H

H

N

NH

12

34

5

6

O

O H

H

H

ACIDES NUCLEIQUES

Il existe des bases pyrimidiques modifiées (chez les phages par exemple…).

N

NH

12

34

5

6

NH2

O

CH3

H

5-méthylcytosine

N

NH

12

34

5

6

NH2

O

CH2OH

H

5-hydroxyméthylcytosine

ACIDES NUCLEIQUES

Des analogues de l’uracile (5-halogéno-uracile) sont utilisés en thérapeutique anti-tumorale.

HN

NH

12

34

5

6

O

O H

X

X = F, Cl, Br, I

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

2 sortes de bases azotées hétérocycliques

bases pyrimidiques(noyau pyrimidine)

bases puriques(noyau purine)

N

N1

2

3

4

5

6

N

N

N

N

1

2

3

4

56 7

8

9

ACIDES NUCLEIQUES

ACIDES NUCLEIQUES

adénine (A)

NH2

N

N

N

NH

1

23

4

56

7

89

ADN/ARN

HN

N

N

NH

1

23

4

56

7

89

H2N

O

guanine (G)ADN/ARN

xanthine

O

HN

NH

N

NH

ACIDES NUCLEIQUESD’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine…

O

hypoxanthine

O

N

NH

N

NH

Intermédiaire du métabolisme de l’adénine et de la guanine

ACIDES NUCLEIQUESD’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine…

caféine

O

N

N

N

NO

CH3

CH3CH3

théophylline

O

N

N

NH

NO

CH3

CH3

O

HN

NH

NH

NHO

O

O

HN

NH

N

NHOO

-

acide urique (goutte)

théobromine

O

HN

N

N

NO

CH3

CH3

ACIDES NUCLEIQUESD’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine…

ACIDES NUCLEIQUES

Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons

Ici aussi l’équilibre tautomérique est en faveur des formes amino (contre imino) et cétone (contre énol).

Parfois les formes tautomères habituellement peu représentées sont en fort pourcentage :

thiocétoguanine

S

HN

NH

N

NH

1

23

4

56

7

89

H2N

SH

N

NH

N

NH

1

23

4

56

7

89

H2N

7%

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

ACIDES NUCLEIQUES

max(nm)

(M-1.cm-1)

UTCA

G

260270270260

245275

7-8000

13000

110008000

Moyenne 260-270 10000

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

ACIDES NUCLEIQUESLa répartition des électrons à la surface des bases azotées n’est pas uniforme d’où des molécules polarisées.

N

N

R

O

O

CH3/H

H

H

T/U

-0,49

-0,45

+0,19

C

H

N

N

R

N

O H

H

H-0,4

+0,22

-0,65

-0,51

+0,2

N

N

N

N

N

R

HH

A

ACIDES NUCLEIQUESLa répartition des électrons à la surface des bases azotées n’est pas uniforme d’où des molécules polarisées.

N

N

N

N

R

N

O

H

H

G

H

-0,55

-0,64-0,4

+0,2

+0,2

+0,2-0,51+0,22

-0,52

-0,51

-0,4

-0,55

+0,2

ACIDES NUCLEIQUES

Les densités de charges déterminent les positions et les orientations des liaisons hydrogène.

La liaison H est directionnelle i.e. l’interaction est optimale quand les 3 atomes sont dans l’axe (possibilité également avec un angle : interaction plus faible).

N H O+ -

Les flèches expliquent la complémentarité A=T et GΞC. Cependant plusieurs possibilités de liaisons H existent (28 façons dans le couple A/T) : dans la nature, seules certaines interactions sont retrouvées.

A côté de l’appariement classique A/T et C/G, il existe des couples G=A ou G=T.

ACIDES NUCLEIQUES

L’équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles.

N

N

R

O

O

CH3/H

H

H

T/U

N

N

R

O

O

CH3/H

H

T/U

H

devient l’équivalent de Con peut alors avoir T G

C

H

N

N

R

12

34

5

6

N

O H

H

H

C

H

N

N

R

12

34

5

6

N

O H

H

H H

N

N

R

12

34

5

6

N

O H

H

H-0,4

+0,22

-0,65

-0,51

+0,2

-0,4

+0,22

-0,65

-0,51

+0,2

ACIDES NUCLEIQUES

L’équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles.

N

N

R

O

O

CH3/H

H

H

T/U

N

N

R

O

O

CH3/H

H

T/U

H

l’hydrogène peut se positionner d’un côté ou de l’autre

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

ACIDES NUCLEIQUESLe moment dipolaire est la grandeur reflétant la polarité d'une molécule.

Une molécule présente un moment dipolaire lorsqu’il existe un barycentre des charges positives (point P) distinct du barycentre des charges négatives (point N).

Ces barycentres P et N existent lorsque l’on a une différence d’électronégativité marquée entre les deux atomes de chaque liaison.

µ = q x NP+q -q

d

µ

µ = q x di

Normalement exprimée en coulomb-mètre, l'unité courante utilisée est le debye, en honneur du physico-chimiste hollandais Peter Debye.

1 D = 3,3356 x 10-30 C.m

Nobel chimie 1934

ACIDES NUCLEIQUES

Les quatre bases azotées sont des molécules qui possèdent un fort moment dipolaire.

Ces moments dipolaires ont une direction précise par rapport à la molécule :

N

N

R

O

O

CH3/H

H

H

T/UEntre deux molécules polaires, les dipôles se placeront de manière antiparallèle : les dipôles jouent un rôle dans l’orientation des bases.

µ

A, U, T = 3,5 DG, C = 7,5 D

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

ACIDES NUCLEIQUESACIDES NUCLEIQUESDéprotonation

pKa=9,4formes

mésomères

N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

H2N

O

guanosine

H N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

H2N

O-

-

N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

H2N

O

vrai aussi pour uracile et thymine

O

NH

ACIDES NUCLEIQUESProtonation

pKa=3,5

1

NH2

N

N

N

N

R

23

4

56

7

89

H +

NH2

N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

H

+formes

mésomères

vrai aussi pour cytidine et guanosine

NH2

N

NH2

N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

adénosine

N

N

N

N

N

R

1

23

4

56

7

89

H +

HH

L’adénosine protonée devient double donneur :

liaisons hydrogène différentes.

ACIDES NUCLEIQUESACIDES NUCLEIQUES

N

1

23

4

56

7

89

HH

N N

N

RN

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

Nucléotides :- base azotée

- sucre

- acide phosphorique

d’après Phoebus Levene

ACIDES NUCLEIQUES

1869-1940

2 sortes de sucres

ACIDES NUCLEIQUES

pentoses sous forme furanique (5 atomes dans le cycle)

D-ribose

1’

2’3’

4’

5’

D-désoxyribose(2’-désoxyribose)

OHOH2C

OH OH

OH1’

2’3’

4’

OHOH2C

OH H

OH5’

ARN ADN

ACIDES NUCLEIQUES

Liaison base-sucre

on obtient une liaison carbone-azote : liaison N-glycosidique

N

NH

123

456

H2O

nucléoside

1’

2’3’

4’

5’

OHOH2C

OH OH / H

OH

N

N NH

1

23

4

56

89

N7

H2O

OH OH / H

1’

2’3’

4’

5’HOH2C OHO

Nucléotides :- base azotée

- sucre

- acide phosphorique

d’après Phoebus Levene

ACIDES NUCLEIQUES

1869-1940

acide phosphorique : H3PO4

O-H

O

H-O O-HP

pKa = 2

pKa = 7

pKa = 10

Les différentes fonctions acides ont des pKa avec des valeurs très variables.

ACIDES NUCLEIQUES

Liaison acide phosphorique-sucre

O P OH

OH

O -

H2O

ACIDES NUCLEIQUES

OH OH / H

1’

2’3’

4’

5’

OHO-H2C OH

OH

1’

2’3’

4’

5’

OCH2

OH OH / H

OHO P O

O -

nucléotides pyrimidiques

désoxycytosine-5’-monophosphate(dCMP)

désoxythymidine-5’-monophosphate(dTMP)

1’

2’3’

4’

5’

CH2

HO H

O P O

OH

O

12

345

6H3C

O

1’

2’3’

4’

5’

CH2

HO H

O P O

OH

O

32

165

4

NH2

O O

H

- -

ACIDES NUCLEIQUES

N

NO

N

NO

1’

2’3’

4’

5’

CH2

HO H

O P O

OH

O

12

345

678

9

NH2

désoxyadénosine-5’-monophosphate(dAMP)

désoxyguanosine-5’-monophosphate(dGMP)

1’

2’3’

4’

5’

CH2

HO H

O P O

OH

O

12

345

67

89

NH2

O

- -

nucléotides puriques

O

NN

NN

N

NNO

N

ACIDES NUCLEIQUES

ACIDES NUCLEIQUES

purinepurinepyrimidinepyrimidinepyrimidine

adénine (ADN/ARN)guanine (ADN/ARN)thymine (ADN)uracile (ARN)cytosine (ADN/ARN)

adénosineguanosinethymidineuridinecytidine

adénylateguanylatethymidylateuridylatecytidylate

base azotée

type de base

nucléoside nucléotide

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.

NOMENCLATURE

ACIDES NUCLEIQUES

A- STRUCTURES PRIMAIRES

I- Bases puriques et pyrimidiques

II- Nucléosides et nucléotides

1- Pyrimidines

2- Purines

3- Propriétés physico-chimiques

a- Absorption U.V.

1- Structures et nomenclature

2- ADP, ATP, AMP cyclique

b- Densités de charge et liaisons hydrogène

c- Moments dipolaires

d- Acidités et sites de protonation

liaisons anhydride d’acide

ACIDES NUCLEIQUESDans les cellules les nucléosides sont retrouvés sous forme mono, di- et triphosphates.

adénine

adénosine

AMP ou adénylate

ADP

ATP

pKa = 7

La valeur du pKa de la 2nd fonction acide du dernier acide phosphorique est de 7 :

à pH 7, 50% forme protonée, 50% forme déprotonée.

liaison phosphoester

1’

2’3’

4’

5’

CH2

HO OH

HO P O P O P O

O

O

12

345

678

9

NH2

-O

NN

NNO

O-

O

O-

molécules de base de la synthèse d’ARN…

ACIDES NUCLEIQUES

AMPADPATP

CMPCDPCTP

GMPGDPGTP

UMPUDPUTP

dTMPdTDPdTTP

dAMPdADPdATP

dCMPdCDPdCTP

dGMPdGDPdGTP

molécules de base de la synthèse d’ADN…

Dans les cellules les nucléosides sont retrouvés sous forme mono, di- et triphosphates.

métabolisme

A partir d’ATP, et grâce à une enzyme appelée adénylate cyclase, il y a synthèse d’AMP cyclique.

ACIDES NUCLEIQUES

adénylate cyclase

ATP1’

2’3’

4’

5’

CH2

OH OH

HO P O P O P O

O

O

12

345

678

9

NH2

-O

NN

NNO

O-

O

O-

1’

2’3’

4’

5’

CH2

O OH

12

345

678

9

NH2

O

NN

NN

O

P

O

O =-

HO P O P OH

O

O-

O

O-

+

AMPcPPi