paces bio mol chap 1

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STRUCTURE DE L'ADN (2h)

A - Structure des nucléotidesB - Structure des acides nucléiques

C - Chromatine et ADN

PACES - UE1 - Atomes, biomolécules, génome, bioénergétique, métabolismeBIOLOGIE MOLECULAIRE – CHAPITRE I

Marion Vankersschaver [email protected] - 06 28 07 97 40

mailto:[email protected]

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A - Structure des nucléotides

1 – Phosphates2 – Ribose, désoxyribose3 – Bases azotées4 – Nucléosides et nucléotides

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L’ADN est un acide nucléique qui contient :

2 - des riboses ou désoxyriboses 3 - des bases azotées

désoxy en C2

1 - des phosphates

Carbone 2’

acide phosphorique (PO4H3)

oses à 5 carbones (pentoses)

bases azotées (purines ou pyrimidines)

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1 - Phosphates

Le phosphate inorganique (Pi) est un ion stable formé à partir de l’acide phosphorique HPO4

2-.

Le pyrophosphate (PPi) est constitués de deux molécules d’acide phosphorique condensées.

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1 - Phosphates

LIAISON ESTER : des esters de phosphate se forment entre un acide phosphorique et un groupement hydroxyle libre (alcool, énol, phénol...).

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1 - Phosphates

LIAISON ANHYDRIDE D ’ACIDES : la condensation d’un phosphate et d’un autre acide (par exemple un autre phosphate) donne un anhydride (il y a aussi des anhydrides mixtes avec les acides carboxyliques par exemple).

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2 - Ribose, désoxyribose

Le ribose est un pentose de la série D, dont tous les hydroxyles sont orientés à droite (représentation de Fisher). Dans les acides ribonucléiques (RNA), il est cyclisé en ribofuranose : anomère β spécifiquement.

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2 - Ribose, désoxyribose

Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (DNA) est dérivé du ribose par une réduction de la fonction alcool secondaire du carbone n°2. Le désoxyribose confère à cet acide nucléique une plus grande stabilité propre à sa fonction de conservation de l’information génétique.

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3 – Bases azotées

Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux classes de molécules selon le noyau aromatique qui en constitue le squelette.

Le noyau pyrimidine est un noyau aromatique à six atomes, quatre carbones et deux azotes ; les deux azotes en position méta (n°1 et 3).

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Le noyau purine est constitué de deux noyaux hétérocycliques accolés, un de six atomes et l’autre de cinq atomes, ayant deux carbones en commun au milieu. Par rapport à ces carbones communs, les azotes occupent des positions symétriques (n° 1 et 3 à gauche, n° 7 et 9 à droite).

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BASES PURIQUES : L’adénine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 6 est substitué par une fonction amine. Elle est la seule des bases nucléiques dont la formule ne contient pas d’atome d’oxygène.

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BASES PURIQUES : La guanine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 2 est substitué par une fonction amine et le carbone 6 par une fonction cétone.

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BASES PYRIMIDIQUES : La cytosine est constituée d’un noyau pyrimidine dont le carbone 4 est substitué par une fonction amine et le carbone 2 par une fonction cétone.

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BASES PYRIMIDIQUES : L’uracile est constituée d’un noyau pyrimidine dont les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone.

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BASES PYRIMIDIQUES : La thymine est aussi constituée d’un noyau pyrimidine dont les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone, mais dont le carbone 5 est substitué par un méthyl.

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5’ P

3’ OH

Ces molécules s’assemblent pour former des nucléotides

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4 sortes de bases azotées

4 sortes de nucléotides

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4 - Nucléosides et nucléotides

NUCLEOSIDESLa liaison d’une base azotée avec un sucre (ribose ou désoxyribose) donne un

nucléoside.

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NUCLEOSIDESLa liaison implique un des azotes de la base (azote n°1 des pyrimidines ou azote n°9

des purines) et le carbone n°1 de l’ose (carbone réducteur). C’est une liaison N-osidique.

On numérote les atomes de la base par des chiffres : 1, 2, 3, etc... et pour les distinguer, les carbones du sucre sont numérotés 1’, 2’, 3’, etc...

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NUCLEOSIDESUn nucléoside est donc une molécule composée d’un pentose (β-D-ribose ou 2-

désoxy-β-D-ribose) lié par une liaison N-osidique à une base azotée.

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NUCLEOTIDESLa liaison d’un nucléoside avec un phosphate donne un nucléotide.

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NUCLEOTIDESLa liaison se fait par une estérification de la fonction alcool primaire (carbone n°5’)

du sucre et une des trois fonctions acides du phosphate. Un nucléotide est donc formé d’une base azotée, liée par une liaison osidique avec

un sucre, lui-même lié par une liaison ester avec un phosphate.

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NUCLEOTIDESUn nucléotide est donc une molécule composée d’un nucléoside lié par une liaison

ester à un acide phosphorique (les nucléotides sont des esters phosphoriques des nucléosides).

nucléoside

nucléoside

nucléoside

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NOMENCLATURE

Nucleoside monophosphate = nucleotide.

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Les bases azotées sont désignées par une initiale et par une couleur.

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NOMENCLATURE

Ribose + Base = Ribonucléoside

Désoxyribose + Base = Désoxyribonucléoside

Ribose + Base + 1 Phosphate = Ribonucléotide

Désoxyribose + Base + 1 Phosphate = Désoxyribonucléotide

Ribose + Base + 3 Phosphates = Nucléosides triphosphates

Désoxyribose + Base + 3 Phosphates = Désoxy Nucléoside triphosphates

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RIBONUCLÉOSIDESAdénosine

Les autres ribonucléosides sont la guanosine, la cytidine et l’uridine.

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DÉSOXYRIBONUCLÉOSIDES Désoxyguanosine

Les autres désoxyribonucléosides sont : la désoxyadénosine, la désoxycytidine et la désoxythymidine.

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RIBONUCLÉOTIDESUridine MonoPhosphate = UMP ou uridylate

Les autres ribonucléotides sont : l’AMP, le GMP et le CMP.

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DÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES Désoxythymidine MonoPhosphate = thymidine monophosphate (dTMP ou TMP) ou acide thymidylique

Les autres désoxyribonucléotides (ou nucléotides) sont le dAMP, le dGMP et le dCMP.

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NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES= base azotées liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates.Adénosine Tri Phosphate

Les autres nucléosides triphosphates sont le GTP, le CTP, l’UTP.

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4 - Nucléosides et nucléotides NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATESAdénosine Tri Phosphate

Au pH physiologique, les fonctions acides des acides phosphoriques distaux sont fortement ionisées.

Les liaisons anhydrides unissant les acides phosphoriques sont des

liaisons riches enénergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol).

L’ATP est un des substrats des RNA-

polymérases.

Le coenzyme ATP/ADP est un coenzyme

transporteur d’énergie universel.

Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate comme substrat ou comme coenzyme, nécessitenten même temps la présence du cation Magnésium

comme cofacteur.

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NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATESDans le métabolisme interviennent des substrats riches en énergie : les nucléosides

triphosphates.Un nucléoside triphosphate est un nucléotide dont le phosphate est lui-même lié à

un ou deux autres phosphates par des liaisons anhydride d’acides.

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NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES

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DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate = cytosine, liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates.

Les autres désoxynucléosides triphosphate sont le dATP, le dGTP et le dTTP.

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DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate

Au pH physiologique, les fonctions acides des acides phosphoriques distaux sont fortement ionisées.

Les liaisons anhydrides unissant les acides phosphoriques sont des

liaisons riches enénergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol).

Le dCTP est un des substrats des DNA-

polymérases.

Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate comme substrat ou comme coenzyme, nécessitenten même temps la présence du cation Magnésium

comme cofacteur.

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B - Structure des acides nucléiques

1 – Liaisons phosphodiester2 – Extrêmités 5’ et 3’3 – Liaisons hydrogène4 – Acide Désoxyribo Nucléique5 – Acide Ribo Nucléique6 – ADN vs ARN


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Liaisons phosphodiester

Liaisons H

Extrêmité 5’

Extrêmité 3’

L'ADN est un polymère de nucléotides


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Liaisons phosphodiester

Extrêmité 5’

L'ARN est un polymère de ribonucléotides

Extrêmité 3’

A G U C

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1 – Liaisons phosphodiester

Les acides nucléiques sont des macromolécules résultant de la condensation de très nombreux

nucléotides, liés par des liaisons phosphodiester.

Ces liaisons sont formées entre le carbone 3’ d’un premier nucléotide et le carbone 5’ du nucléotide suivant.

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1 – Liaison phosphodiester

Liaison Phosphodiester

GTP

Extrêmité 3’ OH

Extrêmité 5’ Phosphate

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2 – Extrémités 5’ et 3’

Ces liaisons définissent un sens à la molécule :5’

3’

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Le début est le nucléotide dont le phosphate en 5’ ne serait lié à aucun autre nucléotide : il porte par une liaison ester sur le carbone 5’ de son ribose un phosphate dont les deux autres fonctions acides ne sont pas estérifiées.

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La fin correspond au nucléotide dont la fonction alcool en 3’ n’est pas estérifiée.

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3 – Liaisons hydrogène

= liaison de faible énergie entre deux atomes attirés l’un vers l’autre pour des raisons électrostatiques l’un étant riche en électrons (donc nucléophile) et l’autre n’ayant que les protons de son noyau (donc électrophile).

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- L’atome d’hydrogène est électrophile.- Les atomes d’azote et d’oxygène sont nucléophiles.

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L’adénine peut former 2 liaisons H

avec la thymine.

La guanine peut former 3 liaisons H

avec la cytosine.

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L’hybridation adénine-thymine est moins stable que celle entre guanine et cytosine.

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Bases azotées à l’intérieurLes bases azotées liées par les liaisons hydrogènes

sont tournées vers l’intérieur, tandis que les riboses et les acides phosphoriques, hydrophiles sont tournés vers l’extérieur.

4 - Acide Désoxyribo Nucléique

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Chaînes antiparallèlesL’ADN est formé de deux chaînes

antiparallèles : l’extrémité 5’ de l’une est du côté de l’extrémité 3’ de l’autre.

5’

5’3’

3’

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Appariement complémentaire Pour que tous les nucléotides puissent

s’hybrider ; il faut que l’ordre dans lequel ils sont liés ensemble soit complémentaire de la chaîne opposée.

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La double hélice et le modèle en rubanLa double hélice a un pas de 3,4 nm, il y a environ 10 paires de nucléotides pour

chaque tour d’hélice.

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Grand sillon, petit sillon Le grand sillon est profond et large, le petit sillon est étroit et peu profond. Certaines

protéines forment des liaisons avec les sillons.

Il y a 4 motifs différents

possibles pour l’accrochage du

grand sillon.

Il y a 2 motifs différents

possibles pour l’accrochage du

grand sillon.

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Fusion La chaleur peut dissocier les deux chaînes : c’est la fusion du DNA. Elle est réversible.

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5 - Acide Ribo Nucléique

Pour former un acide ribonucléique les nucléotides (GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns sur les autres avec des liaisons phosphodiester entre le carbone 3’ d’un premier nucléotide et le carbone 5’ du nucléotide suivant.

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Structure secondaire Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte

distance par leurs bases complémentaires.

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Structure secondaire L'ARN peut former une hélice identique à celle de l'ADN grâce à des liaisons H et en

se repliant sur lui même. Les structures secondaires de l'ARN permettent d'obtenir des molécules plus stables, ayant une structure tertiaire donnée.

ARNr 23S (H. marismortui)

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Structure secondaire Structures en tige boucle

Structure en tige et boucle formée par une séquence répétée inversée sur l'ARN Topologie des différentes structures

secondaires rencontrées dans l'ARN

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Structure secondaire Structures en tige boucle

La plupart du temps, des liaisons H de type Watson Crick sont à l'origine des structures en tige boucle.

Plus rarement, on observe des liaisons H de type Hoogsteen.

Guanosine montrant la face Watson-Crick et la face Hoogsteen de la purine

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Structure secondaire Liaisons H de type Watson Crick

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Structure secondaire Liaisons H de type Hoogsteen

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Structure secondaire Pseudonoeuds

mécanismes de formation d'un pseudonœud dans l'ARN

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Plusieurs espèces d’acides ribonucléiques :— rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe à la structure

des ribosomes, 82% des ARN cellulaires.— tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteur des acides

aminés activés pour la traduction, 16% des ARN cellulaires.— mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la transcription

d’un gène qui porte l’information à traduire, 3 à 5% des ARN cellulaires.

— snRNA = small nuclear RNA, ils sont riches en U et participent à l’excision/épissage des introns, <1% des ARN cellulaires.

—RNA 7S = ARNs qui participent à la reconnaissance du peptide signal, <1% des ARN cellulaires.

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ARN ribosomiques = organites situés dans le cytoplasme et dans les mitochondries. Ils interviennent pendant la transcription (fabrication des protéines). Les ARNr s’associent aux protéines ribosomales (r-protéines) et jouent

un rôle essentiel dans la structure et le maintien de l’intégrité des ribosomes.

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ARN ribosomiques procaryotes

les ribosomes 70S sont formés de 2 sous-unités : S = unité de sédimentation ou

Svedberg.- La grande sous-unité 50S

contient 2 ARNr (5 S et 23 S) et au moins 34 r-protéines.

- une petite sous-unité 30S contient 1 ARNr (16 S) et au moins 21 r-protéines.

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ARN ribosomiques eucaryotes

les ribosomes 80S sont formés de 2 sous-unités.- La grande sous-unité 60S contient

3 ARNr (5 S, 5,8 S et 28 S) - La petite sous-unité 40S contient

1 ARNr (18 S).

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ARN ribosomiques eucaryotesLe nombre de r-protéines est plus important que chez les procaryotes.

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ARN de transfert Il existe plus de 20 ARNt différents : au moins un par acide aminé.Structure en trèfle, contiennent de 75 à 95 nt.

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6 – ADN vs ARN

ADN ARNBases azotées = A T C G Bases azotées = A U G C

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6 – ADN vs ARN

ADN ARNDésoxyribose Ribose

Carbone 5’ Carbone 5’


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6 – ADN vs ARN

ADN ARNDésoxyribose Ribose



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6 – ADN vs ARN

ADN ARNDésoxyribonucléotides Ribonucléotides

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6 – ADN vs ARN

ADN ARNDouble brin Simple brin

des portions peuvent être sous forme bicaténaire : appariées sur une courte

distance par leurs bases complémentaires.

Plus long Plus court : 70 à 10 000 nucléotides

Plus stable Plus instable

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6 – ADN vs ARN

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1 – Compaction de l’ADN2 – Chromatine3 – ADN et cycle cellulaire

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1 – Compaction de l’ADN

Chez les eucaryotes, presque tout l'ADN est contenu dans le noyau (on en trouve aussi un peu dans les mitochondries et les chloroplastes).

Un chromosome humain peut contient 20 à 100 millions de paires de bases. Les cellules humaines contiennent 46 chromosomes chacune.

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Le noyau de chacune de nos cellules contient ainsi des molécules d’ADN qui dépliées, mesurent plus de 2 mètres de long.

> L’ADN y est hyper compacté.

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Histones Chaque molécule d'ADN du noyau est enroulée sur des protéines

appelées histones.

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Nucléosomes L'ADN enroulé sur 8 histones forme un nucléosome. Les histones H1

servent à relier les nucléosomes les uns aux autres de façon à former une structure spiralée plus compacte.

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1 – Compaction de l’ADNSolénoïdeL'ensemble s'enroule à nouveau sur lui-même pour former des solénoïdes. Leur

diamètre fait 30nm.

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Solénoïde

Les boucles contiennent 6 à 8 nucléosomes par tour et sont hautes de 11nm.

La chromatine est formée de solénoïdes.

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Scaffold Le solénoïde se replie

sur un Scaffold pour former des structures de 300 nm de diamètre.

Les chromosomes décondensés ont

cette structure.(en INTERPHASE)

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Chromosomes

L’ADN se condense encore pour former des structures de 700 nm de diamètre, elles mêmes condensées pour former des structures de 1400 nm de diamètre.

Les chromosomes condensés ont cette structure

(en METAPHASE)


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En résumé...

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1 – Compaction de l’ADNEn résumé...

87

1 – Compaction de l’ADNEn résumé...

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La chromatine est la forme sous laquelle se présente l'ADN dans le noyau.

Sont degré de compaction dépend : - Du type de chromatine observé.- De la période du cycle cellulaire où on l’observe.

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2 – Chromatine

Euchromatine = chromatine décondensée (10 nm de diamètre) qui correspond à des

zones où les gènes sont activement transcrits.

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2 – Chromatine

Hétérochromatine = chromatine condensée (20 à 30 nm de diamètre) qui correspond à

des zones inactives au niveau transcriptionnel.

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2 – Chromatine

Hétérochromatine Hétérochromatine constitutive = portions de chromosomes inactives dans toutes

les cellules et porteuses de séquences répétitives. La plupart se trouve à proximité des centromères et télomères.

Hétérochromatine facultative = portions de l'hétérochromatine variables selon le type ou l'état de différenciation des cellules.

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2 – Chromatine

Acétylation, méthylation Les histones de l’euchromatine sont hyperacétylées et hypométhylées. Celles de

l’hétérochromatine sont hypoacétylées et hyperméthylées.

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2 – Chromatine

Localisation L’euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme.L’hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du

nucléole.

Condensed heterochromatin, the dark areas against the envelope and in the centreNot-condensed (diffuse) euchromatin, the bright areas in between

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3 - ADN et cycle cellulaire

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A la fin de l’interphase, l’ADN se condense et forme des chromosomes. A la fin de la mitose (en télophase) l’ADN se décondense.

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paces bio mol chap 1

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