Module 1, cours 1 

Biologie Moléculaire : Les Acides Nucléiques

Les acides nucléiques, ADN et ARN, sont les molécules essentielles de la vie, support de l'information génétique.

I. Structure des Nucléotides

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Chaque nucléotide est composé de trois éléments fondamentaux :

1. Un à trois groupes phosphate.

2. Un sucre à cinq carbones, appelé pentose.

3. Une base azotée, variable d'un nucléotide à l'autre.

A. Nucléoside vs. Nucléotide

La distinction entre nucléoside et nucléotide est cruciale :

• Un nucléoside est formé par la liaison d'un pentose et d'une base azotée (liaison N-glycosidique). (Mnémonique : NucléoSide a deux éléments)

• Un nucléotide est formé par la liaison d'un nucléoside à un ou plusieurs groupes phosphate via une liaison 5'-phosphoester. (Mnémonique : NucléoTide a trois éléments)

B. Les Bases Azotées

Il existe cinq bases azotées principales, classées en deux groupes :

• Purines (bases puriques) : dotées d'un double cycle.

  • Adénine (A)

  • Guanine (G)

  (Mnémonique : Les personnes AG (âgées) PUent (Purique))

• Pyrimidines (bases pyrimidiques) : dotées d'un simple cycle.

  • Thymine (T)

  • Cytosine (C)

  • Uracile (U) : retrouvée uniquement dans l'ARN.

C. Différences entre ADN et ARN au niveau des nucléotides

Les nucléotides de l'ADN et de l'ARN diffèrent par deux aspects majeurs :

1. Le pentose (sucre) :

   • Dans l'ADN, le pentose est le 2'-désoxyribose. Il est "dénué" d'oxygène sur le carbone en position 2'.

   • Dans l'ARN, le pentose est le ribose. Il possède un atome d'oxygène sur le carbone en position 2'.

2. Les bases azotées :

   • L'ADN contient les bases : Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T).

   • L'ARN contient les bases : Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Uracile (U). L'uracile remplace la thymine.

D. Nomenclature des Nucléosides et Nucléotides

La nomenclature dépend de la base azotée, du type de pentose (désoxyribose pour ADN, ribose pour ARN) et du nombre de groupes phosphate.

• Un "d" en minuscule entre parenthèses ((d)) indique la forme désoxy (ADN), notamment pour les nucléosides/nucléotides communs aux deux acides nucléiques.

• Le suffixe "mono-, di- ou triphosphate" précise le nombre de groupes phosphate.

II. Structure Primaire des Acides Nucléiques

Les nucléotides s'enchaînent pour former un brin d'ADN ou d'ARN. Cette liaison est appelée liaison 3'-5' phosphodiester.

• Elle se forme entre la fonction hydroxyle du carbone 3' du pentose d'un nucléotide et la fonction acide du groupe phosphate lié au carbone 5' du pentose du nucléotide suivant.

• L'enchaînement des pentoses et des groupes phosphate constitue le squelette sucre-phosphate.

A. Polarité des Acides Nucléiques

Les acides nucléiques ont un sens et sont polarisés :

• L'extrémité 5'-phosphate est l'extrémité du brin où le groupe phosphate est libre.

• L'extrémité 3'-OH est l'extrémité du brin où le groupe hydroxyle est libre.

• Le message génétique est TOUJOURS lu dans le sens 5' → 3' (de l'extrémité 5'-phosphate libre vers l'extrémité 3'-OH libre).

• Exemple : 5'-CTG-3'

III. Structure Secondaire de l'ADN : La Double Hélice

La structure de la double hélice d'ADN a été élucidée grâce aux travaux de plusieurs chercheurs.

A. Travaux Préliminaires

1. Erwin Chargaff (1950) - Règles de Chargaff :

   • Dans l'ADN, la proportion d'Adénine (A) est égale à celle de la Thymine (T) : (donc ).

   • La proportion de Guanine (G) est égale à celle de la Cytosine (C) : (donc ).

   • Le rapport est spécifique à chaque espèce.

   • Conséquence : le nombre total de purines (A+G) est égal au nombre total de pyrimidines (T+C).

2. Rosalind Franklin (1952) - Diffraction des Rayons X :

   • A révélé que l'ADN a une structure en hélice.

   • Le squelette sucre-phosphate est situé à l'extérieur de l'hélice, et les bases sont à l'intérieur.

   • Le diamètre de l'hélice est constant et mesure 2 nanomètres.

   • À ce stade, le nombre de brins n'était pas encore déterminé.

B. Modèle de la Double Hélice de Watson et Crick (1953)

Basé sur les travaux de Chargaff et Franklin, Watson et Crick ont proposé un modèle révolutionnaire :

• Deux brins d'ADN s'associent pour former une hélice droite.

• L'ADN est comparable à une échelle : le squelette sucre-phosphate forme les montants, et les paires de bases forment les barreaux.

• Caractéristiques structurelles :

  • Diamètre de l'hélice : 2 nanomètres.

  • Longueur d'un tour d'hélice : 3,4 nanomètres.

  • Distance entre les paires de bases : 0,34 nanomètre.

C. Principe de Complémentarité des Bases et Appariement

Ce principe est fondamental et explique l'association des deux brins :

• Une purine s'associe toujours à une pyrimidine. Ceci est essentiel pour maintenir le diamètre constant de 2 nm de l'hélice.

  • L'appariement de deux pyrimidines donnerait un diamètre trop petit.

  • L'appariement de deux purines donnerait un diamètre trop grand.

• Application des règles de Chargaff :

  • L'Adénine (A) s'apparie toujours avec la Thymine (T) par deux liaisons hydrogène.

  • La Guanine (G) s'apparie toujours avec la Cytosine (C) par trois liaisons hydrogène.

Le modèle de Watson et Crick a confirmé que l'ADN est la molécule de l'hérédité, suggérant un mécanisme de copie du matériel génétique grâce à la complémentarité des bases. Connaître la séquence d'un brin permet de déduire celle du brin complémentaire.

D. Antiparallélisme des Brins

Les deux brins de la double hélice sont antiparallèles :

• Si un brin est orienté 5' → 3', l'autre brin complémentaire est orienté 3' → 5'.

• Cela signifie que l'extrémité 5' d'un brin est toujours en face de l'extrémité 3' de l'autre brin.

• Lors de la lecture des séquences, chaque brin est lu individuellement dans le sens 5' → 3', mais les directions de lecture sont opposées.

E. Représentation Simplifiée de l'ADN

Pour simplifier l'ADN :

• Un brin d'ADN peut être représenté par un simple trait, parfois avec une flèche pour indiquer l'orientation 3'.

• Conventionnellement, l'extrémité 5' est à gauche et l'extrémité 3' est à droite.

• Une double hélice est représentée par deux traits (avec ou sans flèche), respectant l'antiparallélisme. Les paires de bases peuvent être indiquées par des lignes verticales.

• Souvent, seule la séquence d'un brin est représentée (toujours de 5' vers 3'), car l'autre peut être déduite par complémentarité.

• Pour l'étude des mutations, les séquences des deux brins sont affichées.

5'-AGCTTAGACATAGACGCTGACGCTAGCTAGACAGTCGC-...3' 3'-TCGAATCTGTATCTGCGACTGCGATCGATCTGTCAGCG-...5'

F. Sillons Majeur et Mineur de l'ADN

La structure de la double hélice n'est pas homogène et présente des sillons où les bases sont exposées :

• Sillon majeur : Largeur de 2,2 nanomètres.

• Sillon mineur : Largeur de 1,2 nanomètres.

Ces sillons permettent aux bases d'exposer des atomes donneurs ou accepteurs d'hydrogène, facilitant des interactions spécifiques avec d'autres molécules (ex: protéines de compaction, de réplication, de transcription).

• Paire A-T :

  • Sillon majeur : Séquence accepteur-donneur-accepteur.

  • Sillon mineur : Séquence accepteur-accepteur.

• Paire G-C :

  • Sillon majeur : Séquence accepteur-accepteur-donneur d'hydrogène.

  • Sillon mineur : Séquence accepteur-donneur-accepteur.

IV. Structure Tertiaire et Compaction de l'ADN

A. Conformations de l'ADN

L'ADN peut adopter différentes structures tertiaires : les conformations A, B et Z.

Ces conformations diffèrent par :

1. Le sens d'enroulement de l'hélice (droite ou gauche).

2. La longueur d'un tour d'hélice.

3. Le nombre de paires de bases par tour d'hélice.

4. La taille relative des sillons majeur et mineur.

L'adoption d'une conformation dépend de l'état d'hydratation et de la présence de sels.

La conformation B, décrite par Watson et Crick, est la plus abondante dans la cellule.

B. Niveaux de Compaction de l'ADN

L'ADN interagit avec des protéines, notamment les histones, qui se lient au niveau du sillon mineur. Ces interactions permettent une modulation de la compaction de l'ADN.

1. ADN nu (double hélice) : Diamètre 2 nm.

2. Fibre de chromatine : Diamètre 10 nm. L'ADN s'enroule autour des histones pour former des nucléosomes.

3. Solénoïde : Diamètre 30 nm. Enroulement hélicoïdal de la fibre de chromatine.

4. Boucles sur charpente protéique : Diamètre 300 nm. Les solénoïdes forment des boucles attachées à une charpente non-histone.

5. Chromatide : Diamètre 700 nm. Empilement de ces boucles pour former une chromatide.

6. Chromosome métaphasique : Diamètre 1400 nm. Structure la plus compactée, visible lors de la mitose.

V. Structures des ARN

A. Structure Primaire de l'ARN

Similaire à l'ADN, mais avec des différences clés :

• Le pentose est le ribose, avec un groupe -OH sur le carbone 2'. Ce groupe hydroxyle confère des propriétés uniques à l'ARN, notamment la capacité à former diverses liaisons hydrogène.

• Les bases sont A, G, C et Uracile (U) à la place de la Thymine.

• Une molécule d'ARN est formée d'un seul brin de ribonucléotides, contrairement à l'ADN qui est une double hélice.

B. Structures Secondaires, Tertiaires et Quaternaires des ARN

Bien que simple brin, l'ARN peut se replier sur lui-même par appariements intramoléculaires de bases complémentaires, formant des structures complexes :

• Duplex d'ARN : Régions localisées où le brin se replie en hélice.

• Tiges et boucles : Les bases appariées forment des "tiges", et les régions non appariées forment des "boucles".

• Ces combinaisons donnent lieu à des structures tertiaires et quaternaires très complexes, souvent associées à des protéines (ex: ARNt, snARN U1).

VI. Récapitulatif : ADN vs. ARN

• ADN :

  • Support biochimique de l'hérédité.

  • Polymère de désoxyribonucléotides.

  • Contient un message et possède un sens (5'-3').

  • Formé de désoxyribose, phosphate et (A, G, C, T).

  • Forme une double hélice de deux brins antiparallèles et complémentaires.

  • La complémentarité permet la réplication.

  • Hélice avec deux sillons (majeur et mineur) et compactée par des protéines.

• ARN :

  • Forme diverses structures avec différentes fonctions.

  • Molécule formée d'un seul brin de ribonucléotides.

  • Polymère de ribonucléotides.

  • Formé de ribose, phosphate et (A, G, C, U).

  • Le groupe 2'-OH du ribose permet des liaisons hydrogène variées et des structures complexes (tiges, boucles, etc.).