Acizii nucleici: Structură și funcție

Ceci est un résumé sur l'ADN, l'ARN, les protéines et les enzymes, conçu comme un pense-bête.

L'ADN - Acide Désoxyribonucléique

• Molécule de l'Hérédité: L'ADN a été établi comme la molécule héréditaire en 1943 par Avery, McLeod et McCarthy, l'information génétique étant inscrite dans la séquence variable des nucléotides.

• Matériel Génétique Principal: L'ADN est le matériel génétique de la plupart des organismes, situé exclusivement dans les chromosomes. Chaque chromosome contient une molécule d'ADN linéaire chez les eucaryotes, mais circulaire chez les procaryotes.

• Composition: Résulte de la polymérisation de monomères appelés désoxyribonucléotides.

• Localisation: R. Feulgen a révélé sa présence dans les chromosomes.

• Code Génétique: Des séquences de trois nucléotides (triplets) forment un code spécial qui détermine l'ordre d'assemblage des acides aminés pour former les protéines. Ce code dicte l'apparence, la croissance et le fonctionnement de l'organisme.

Chromosomes

• Procaryotes: Molécules d'ADN circulaires avec peu de protéines.

• Eucaryotes: Molécules d'ADN linéaires enroulées autour d'un noyau protéique composé d'octamères d'histones (H1, H2A, H3, H4) formant des nucléosomes.

Cycle Cellulaire et Réplication de l'ADN

• La réplication de l'ADN prépare les cellules à la division.

• Comprend l'interphase (G1, S, G2) et la mitose.

• Les cellules peuvent entrer dans une phase G0 de repos.

• Perturbation: Dans le cancer, la division cellulaire est chaotique.

L'ARN - Acide Ribonucléique

• Biomacromolécules: Résultent de la condensation des ribonucléotides.

• Matériel Génétique: Pour certains petits virus (ribovirus: grippe, VIH, hépatite C).

• Transmission de l'Information Génétique: Interviennent dans les autres organismes.

Types d'ARN

Les 3 types majeurs d'ARN sont l'ARNm (messager), l'ARNr (ribosomique) et l'ARNt (de transfert).

• Ce sont tous des chaînes monocaténaires polyribonucléotidiques.

• Ils diffèrent par leur masse moléculaire et leurs coefficients de sédimentation.

• Plusieurs formes moléculaires existent pour chaque type (ex: 60 formes d'ARNt).

• La plupart des cellules contiennent 2 à 8 fois plus d'ARN que d'ADN.

ARN Messager (ARNm)

• Contient 4 bases majeures.

• Synthèse: Dans le noyau par transcription (copie enzymatique de l'ADN). Aussi synthétisé dans les mitochondries.

• Fonction: Passe dans le cytoplasme et se lie aux ribosomes, servant de matrice pour la biosynthèse des protéines.

• Présente une séquence poly-A à l'extrémité 3' chez les eucaryotes (rôle dans la maturation ou le transport).

ARN de Transfert (ARNt)

• Petites Molécules: Masse moléculaire de 23000 – 28000, contient 75 – 90 nucléotides.

• Fonction: Transporteurs spécifiques d'acides aminés vers les ribosomes lors de la biosynthèse des protéines.

• Chaque acide aminé a au moins un ARNt correspondant.

• Structure Commune: Acide guanyl terminal à une extrémité, séquence CCA (cytidyl-cytidyl-adényl) à l'autre. Le groupe hydroxyle libre de l'adényl terminal est acylé avec l'α-aminoacide spécifique.

ARN Ribosomique (ARNr)

• Représente 65% de la masse des ribosomes.

• Types: 3 formes (23S, 16S, 5S) chez E. coli; 4 types (5S, 7S, 18S, 28S) chez les eucaryotes.

• Fonction (peu élucidée): Joue un rôle catalytique (ribozyme) dans la synthèse des liaisons peptidiques, comme démontré par H. Noller et coll.

• Les ribozymes satisfont aux caractéristiques des enzymes: substrat spécifique, augmentation de la vitesse de réaction, sort inchangé de la réaction.

Biosynthèse des Protéines

• Polymérisation des acides aminés (environ 10 000 protéines par cellule).

1. Transcription: Synthèse de l'ARNm à partir d'un brin d'ADN.

2. Translation (début): Migration de l'ARNm dans le cytoplasme et association avec les ribosomes pour former des polyribosomes.

3. Activation des Acides Aminés: L'aminoacide réagit avec l'ATP (catalysée par l'aminoacyl-ARNt synthétase) pour former de l'aminoacyl-AMP, qui se lie ensuite à un ARNt.

4. Translation (polymérisation): Les acides aminés sont assemblés par liaisons peptidiques, catalysées par la peptid-polymérase. Un polypeptide se synthétise en une minute.

Complexes Acide Nucléique - Protéines

• Certains acides nucléiques s'associent de manière non covalente à des protéines spécifiques pour former des complexes supramoléculaires.

• Exemples: Ribosomes et virus (les plus complexes sont les chromosomes eucaryotes).

• Ribosomes: Particules ribonucléoprotéiques essentielles à la biosynthèse des protéines.

• Virus: Structures subcellulaires (ARN ou ADN) qui se répliquent dans une cellule hôte spécifique.

• Coronavirus: Espèce virale à ARN encapsulé, pouvant muter et se transmettre à l'homme (SARS-CoV-2).

Applications Thérapeutiques des Nucléotides

• Certains nucléotides naturels et synthétiques ont des applications thérapeutiques:

  • Chimiothérapie (maladies malignes).

  • Traitement de l'hyperuricémie et de la goutte.

  • Affections virales.

  • Agents immunosuppresseurs, hypoglycémiants, antifongiques, antiparasitaires.

• Mécanismes: Inhibition d'enzymes impliquées dans la biosynthèse des acides nucléiques ou la conversion de la xanthine en acide urique.

• Exemples: Thiuracile (antithyroïdien), 5-fluorouracil (cancer), allopurinol (goutte), zidovudine (VIH).

Protéines

• Biopolymères: Composés macromoléculaires résultant de la polycondensation d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques.

• Classification par taille:

  • Oligopeptides: Moins de 10 résidus d'acides aminés.

  • Polypeptides: Jusqu'à 50-60 résidus d'acides aminés.

  • Protéines: Des centaines de résidus, masses moléculaires allant jusqu'à des centaines de milliers de daltons.

Acides Aminés

• Unités structurales de base des protéines.

• Contiennent un groupe aminique et un groupe carboxyle.

• Propriétés: Permettent la condensation pour former des peptides.

• Rôles additionnels:

  • Glutathion (tripeptide): fonctions importantes.

  • Petits peptides: hormones, antibiotiques.

  • Acide glutamique: neurotransmetteur.

  • Précurseurs de biomolécules (ex: histidine pour histamine).

  • Métabolisés pour la production de glucose (gluconéogenèse).

• Environ 20 acides aminés sont présents dans toutes les protéines, principalement de la série L.

• Structure générale: Un carbone α lié à un groupe -COOH, un groupe -NH₂, et un radical R qui donne les propriétés spécifiques.

Classification des Acides Aminés (selon le radical R)

• Aliphatiques

• Hydroxylés

• Sulfurés

• Dicarboxyliques et leurs amides

• Deux groupes basiques

• Aromatiques

Propriétés des Protéines

• Amphotères: Comme les acides aminés, elles forment des amphions en solution aqueuse.

• Milieu Acide: Se comportent comme des bases faibles, reçoivent des protons, formant des cations protéiques (cataforèse vers la cathode).

• Milieu Basique: Se comportent comme des acides faibles, cèdent des protons, formant des anions protéiques (anaforèse vers l'anode).

Fonctions des Protéines

• Enzymes: Catalysent les réactions biochimiques (ex: hexokinase).

• Protéines de Réserve: Stockent des éléments (ex: ovalbumine, caséine, ferritine).

• Protéines de Transport: Transportent des substances (ex: hémoglobine, myoglobine, albumine sérique).

• Protéines Contractiles: Impliquées dans la contraction et le mouvement (ex: actine, myosine).

• Protéines de Protection: Role immunitaire ou de coagulation (ex: anticorps, thrombine).

• Toxines: Très toxiques même à faibles doses (ex: toxine botulinique).

• Hormones: Messagers chimiques (ex: insuline, hormone de croissance).

• Éléments Structuraux: Constituent des structures (ex: collagène, kératine).

Niveaux de Structure des Protéines

Il existe 4 niveaux d'organisation des protéines, qui déterminent leur activité biologique.

• Structure Primaire:

  • Séquence linéaire des résidus d'acides aminés liés par des liaisons α-peptidiques.

  • L'insuline a été la première protéine dont la structure primaire a été identifiée.

  • Déterminée génétiquement et cruciale pour la structure 3D et la fonction.

  • Des modifications mineures (substitution, perte, insertion d'un acide aminé) peuvent entraîner un polymorphisme et des pathologies.

• Structure Secondaire:

  • Disposition spatiale des résidus d'acides aminés voisins dans la séquence linéaire (ordonnée ou non).

  • Caractère planaire et rigide de la liaison peptidique (isomère trans favorisé).

  • Modèles:

    • α-hélice:Enroulement spiralé régulier, stabilisé par des liaisons hydrogène (chaque acide aminé fait avancer la spirale de 1,5 Å et tourne de 100°, soit 3,6 résidus par tour). Les résidus encombrants ou chargés peuvent déstabiliser (Proline rompt l'hélice).

    • Feuillet β plissé:Chaînes polypeptidiques repliées et reliées par des liaisons hydrogène. Peut être parallèle ou antiparallèle. Les petits acides aminés (Gly, Ala) favorisent cette structure.

• Structure Tertiaire:

  • Arrangement spatial général de la molécule par association de différentes régions du même brin.

  • Exemples: Myoglobine (protéine globulaire classique), hémoglobine, lysozyme.

  • La myoglobine est compacte, avec des groupes R polaires en surface et non polaires à l'intérieur.

  • Toutes les molécules de myoglobine partagent la même configuration, même si leur composition en acides aminés varie.

• Structure Quaternaire:

  • Concerne les protéines composées de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités ou protomères) formant une unité fonctionnelle.

  • Nature des contacts: Interactions faibles (liaisons salines, hydrogène, Van der Waals, hydrophobes).

  • Les chaînes isolées sont généralement inactives; l'activité résulte de l'assemblage.

  • Exemples: Créatine kinase, lactate déshydrogénase, hémoglobine, immunoglobuline G.

Hémoglobine (Hb)

• Exemple classique de structure quaternaire: 4 chaînes polypeptidiques.

• Composition: 2 chaînes α (141 AA) et 2 chaînes β (146 AA), chacune attachée à un groupe hème.

• Forme: Sphérique, compacte (6,4/5,5/5,0 mm).

• Groupes Hème: Planaires, contiennent du fer () qui lie 4 molécules d'oxygène.

• Cavité Centrale: Composée de groupes R polaires.

Types d'Hémoglobine et leurs fonctions

• Oxyhémoglobine (HbO₂): Transporte .

• Carbhémoglobine (HbCO₂): Transporte .

• Carboxyhémoglobine (HbCO): Le CO se lie au fer, empéchant le transport d'O₂.

• Méthémoglobine (MetHb): Contient du et ne peut pas fixer . Normalement <2%.

• Sulfhémoglobine (HbS): Ne transporte pas .

Transport des Gaz par le Sang

• Total : 1% dissous, 99% lié à l'Hb.

• Total : Dissous, lié à l'Hb, lié au Na.

• Hb doit lier dans les poumons et le libérer dans les capillaires.

Facteurs Influencant la Fixation d'O₂ à l'Hb (Effet Bohr)

• Libération de (Déplacement de la courbe vers la droite):

  • Augmentation de (↓pH), , [2,3 DPG], Température.

• Fixation de (Déplacement de la courbe vers la gauche):

  • Diminution de (↑pH), , [2,3 DPG], Température.

Hémoglobines Pathologiques

• Plus de 150 variantes, notées par des lettres (C, D, S).

• Résultent souvent de la substitution ou de la perte d'acides aminés.

Dénaturation des Protéines

• Perturbation de la structure native: Passage à une forme aléatoire, perte de l'activité biologique.

• Agents Dénaturants: Température, acides, bases, oxydants, métaux, urée, guanidine, solvants organiques.

• Niveaux affectés: Structures secondaire, tertiaire et quaternaire (liaisons faibles), sans affecter la structure primaire.

• Réversibilité: Peut être réversible (renaturation) si l'agent est éliminé.

• Propriétés modifiées: Changement d'activité optique, viscosité, diminution de la solubilité (précipitation).

Enzymes

• Biocatalyseurs Protéiques: Accélèrent les réactions chimiques (thermodynamiquement possibles).

• Coordination: Contrôlent tous les processus métaboliques.

• Spécificité Élevée: Catalysent un nombre limité de réactions, souvent une seule.

• Non consommées: Ne sont ni produites ni consommées pendant la réaction.

• Vitesse de Réaction: Modifient la vitesse de réaction, pas la constante d'équilibre.

Historique

• 1833 Payen et Persoz: Isolé la première enzyme, l'amylase.

• 1835 Berzelius

mark>: Reconnu le caractère catalytique des réactions enzymatiques.

• 1940 Edward Howell: A montré leur rôle essentiel dans la vie.

Unités de Mesure de l'Activité Enzymatique

• 1 UI: 1 micromole de substrat transformé par minute.

• 1 katal: 1 mole de substrat transformé par seconde.

Nomenclature

• Nom Recommandé ou Commun: Souvent par l'ajout de "-ase" au nom du substrat (ex: glucosidase) ou à l'action (ex: lactate déshydrogénase).

• Nom Scientifique ou Systématique: Selon l'IUBMB, elles sont classées en 6 classes, avec un suffixe "-ase" ajouté à une description complète de la réaction catalysée.

Classes d'Enzymes (IUBMB)

Composition des Enzymes

• Enzymes simples: Composées uniquement d'acides aminés (ex: protéases).

• Holoenzymes: Composées d'une partie protéique (apoenzyme) + une partie non-protéique (cofacteur).

  • Cofacteur:

    • Groupement prosthétique: Lié fermement à l'apoenzyme (ex: FMN, FAD).

    • Coenzyme: Dérivé de vitamine, lié de manière labile à l'apoenzyme (ex: NAD+, NADH). Agit comme un second substrat.

    • Ions métalliques: Essentiels pour de nombreuses enzymes. Peuvent être des métalloenzymes (métal lié fortement) ou des enzymes métalloactives (métal lié faiblement). Ex: Fe, Cu, Mn, Co, Se.

Centre Actif

• Région de l'enzyme où se fixe le substrat et où se déroulent les réactions chimiques.

• Comprend des résidus de fixation du substrat et des résidus catalytiques.

• Petite portion tridimensionnelle de l'enzyme.

• Stabilisation du complexe ES: Attractions électrostatiques, liaisons hydrogène, interactions hydrophobes.

Modèles Enzyme-Substrat

• Modèle "Clé-Serrure" (Fisher, 1890): Le substrat doit s'adapter parfaitement au centre actif.

• Modèle de l'Ajustement Induit (Koshland, 1958): Le centre actif de l'enzyme n'est pas rigide; sa forme se modifie lors de la liaison au substrat.

• Le centre actif apparaît comme une fente tapissée d'acides aminés hydrophobes, mais contient aussi des acides aminés polaires essentiels à la catalyse.

• Les enzymes allostériques ont en plus un centre allostérique où se fixent les effecteurs allostériques, modifiant la conformation de l'enzyme.

Spécificité des Enzymes

• Spécificité de Substrat:

  • Absolue: L'enzyme agit sur un seul substrat (ex: uréase pour l'urée).

  • Relative: L'enzyme agit sur un groupe de substrats de structure similaire (ex: alcool déshydrogénase sur les alcools à petite chaîne).

  • Stéréochimique: L'enzyme agit sur un certain isomère géométrique ou optique (ex: LDH pour l'acide L-lactique).

• Spécificité de Liaison: L'enzyme reconnaît un type spécifique de liaison chimique (ex: estérases pour les liaisons ester).

• Spécificité d'Action: L'enzyme catalyse un certain type de réaction, basé sur le mode d'action sur le substrat et le type de cofacteur.

Mécanisme d'Action de l'Enzyme

• Les enzymes réduisent l'énergie d'activation sans affecter l'énergie libre de la réaction (ΔG), augmentant ainsi la vitesse de réaction.

• Le substrat forme un complexe transitoire (ES) avec l'enzyme, qui se transforme ensuite en produit (P) et libère l'enzyme.

Mécanismes de Catalyse Enzymatique

• Catalyse acido-basique: Transfert de protons entre les groupes acido-basiques de l'enzyme et du substrat (ex: His, Cys, Tyr). L'histidine est très efficace à pH physiologique.

• Catalyse covalente: Formation d'une liaison covalente forte entre le substrat et l'enzyme au niveau du site actif (ex: sérine protéases).

• Catalyse par distorsion: S'applique aux enzymes hydrolytiques. La liaison du substrat à l'enzyme induit une tension ou déformation dans la liaison à cliver, la rendant plus réactive.

• Catalyse par ions métalliques: Les ions métalliques sont essentiels dans le centre catalytique et participent au transfert d'électrons ou maintiennent la structure 3D.

Facteurs Influencant l'Activité Enzymatique

• pH: Optimal pour chaque enzyme (ex: pepsine pH 1.5-2, phosphatases alcalines pH 9-10). Le pH affecte l'ionisation des groupes du centre actif.

• Température: L'activité varie avec la température. Optimal à 37-40°C pour les enzymes humaines. Températures élevées peuvent causer une dénaturation.

• Concentration du substrat:

  • À faible [S], la vitesse est proportionnelle à [S] (ordre 1).

  • À forte [S], la vitesse atteint un Vmax (saturation), indépendante de [S] (ordre 0).

  • Équation de Michaelis-Menten: .

  • Constante: est la concentration de substrat à laquelle la vitesse est la moitié de Vmax. C'est un indice inverse de l'affinité de l'enzyme pour le substrat.

  • Nombre de "turnover": Nombre de molécules de substrat converties en produit par molécule d'enzyme saturée en substrat, par unité de temps.

  • Représentation de Lineweaver-Burk: Linéarise l'équation de Michaelis-Menten pour une meilleure interprétation.

  • Courbe sigmoïde: Caractéristique des enzymes allostériques (plusieurs sous-unités).

• Effecteurs enzymatiques: Substances qui influencent l'activité enzymatique.

  • Activateurs: Stimulent l'activité (ex: activation de proenzymes/zymogènes).

  • Inhibiteurs: Influencent négativement l'activité.

    • Irréversibles: Forment un complexe EI stable, endommageant de manière permanente la structure de l'enzyme (ex: substances toxiques, métaux lourds).

    • Réversibles: Forment un complexe EI non covalent et réversible.

      • Compétitifs: L'inhibiteur ressemble structurellement au substrat et entre en compétition pour le site actif. Réversible en augmentant [S]. Augmente la valeur de Km sans changer Vmax. (Ex: sulfanilamide, méthotrexate).

      • Incompétitifs: L'inhibiteur ne se lie qu'au complexe ES, formant ESI. Diminue Km

et Vmax. (Ex: bien quand [S] est élevé).

• Non-compétitifs: L'inhibiteur se lie à l'enzyme ou au complexe ES à un site différent du site actif. L'augmentation de [S] ne supprime pas l'inhibition. Diminue Vmax sans affecter Km.

Régulation des Enzymes

• Enzymes Allostériques: Oligomères avec plusieurs sous-unités (identiques ou différentes). Possèdent des centres actifs et des centres allostériques où se lient des effecteurs (positifs ou négatifs). Régulées par rétro-inhibition (feedback).

• Modulation par Phosphorylation-Déphosphorylation: Passage d'une forme active à inactive (ou vice versa) par l'ajout ou le retrait d'un groupe phosphate sur des résidus d'acides aminés (sérine, thréonine, tyrosine). Catalysée par des kinases et des phosphatases.

• Protéolyse Incomplète: Activation de zymogènes ou de proenzymes à leur site d'action (ex: pepsine, trypsine). Irréversible. Permet une synthèse rapide et évite l'activation précoce.

Isoenzymes

• Différentes formes moléculaires de la même enzyme, catalysant la même réaction mais possédant des propriétés physico-chimiques distinctes.

• Importance Diagnostique: Leur localisation varie selon les organes.

  • Exemples:

    • CPK (Créatine Phosphokinase): MM (muscles striés, myocarde), MB (myocarde), BB (cerveau).

    • LDH (Lactate Déshydrogénase): 5 isoenzymes (LDH-1 à LDH-5) avec différentes localisations tissulaires (cœur, système réticulo-endothélial, poumons, reins, foie, muscles striés).

    • Phosphatase alcaline: hépato-biliaire, intestinale, osseuse, placentaire.

    • Amylase: salivaire, pancréatique.

• Enzymes biloculaires: Présentes dans un même type de cellule mais dans des compartiments différents (ex: GOT, MDH dans mitochondries et cytosol).

Biomarqueurs Cardiovasculaires

• CPK MB: Utilisé pour l'infarctus du myocarde (normalise en 3 jours). Un rapport masse CK MB/activité CK > 2.5 indique une origine myocardique.

• Troponine: Plus sensible et spécifique que la CK MB pour détecter la nécrose myocardique. Utile pour le pronostic.

• Myoglobine: Marqueur précoce d'exclusion d'infarctus, mais faible spécificité.

Complexes Enzymatiques

• Les enzymes peuvent s'organiser en complexes pour permettre un traitement rapide des produits de réaction.

• Exemples: Synthétase d'acides gras, enzymes de la chaîne respiratoire.

Thérapie Enzymatique

• Utilisation: Traitement de maladies digestives, génétiques, cardiovasculaires, néoplasies, inflammations.

• Limitations: Nature protéique (distribution, inactivation par protéases, potentiel antigénique).

• Sources: Tissus animaux/humains, cultures cellulaires, techniques d'ADN recombinant (ex: streptokinase).

• Méthodes d'amélioration: N-acylation (prolonge la demi-vie), immobilisation (résistance aux protéases, moins immunogène), encapsulation dans des liposomes.