Nucléotides et Acides Nucléiques : Structure et Propriétés

Définitions des Nucléotides et Acides Nucléiques

Les acides nucléiques sont des macromolécules, polymères de nucléotides. Par hydrolyse complète, un nucléotide libère un ose, une base azotée et une molécule d'acide phosphorique.

Ose	Type d'acide nucléique
Ribose	ARN (Acides Ribonucléiques)
Désoxyribose	ADN (Acides Désoxyribonucléiques)

Constituants des Nucléotides

Un nucléotide est composé de trois éléments principaux :

• Phosphate (H$_3$PO$_4$) : Possède trois fonctions "acide" et s'estérifie avec une fonction alcool du sucre en C5'.
• Ose :
  • Ribose (C$_5$H$_10$O$_5$) dans l'ARN.
  • 2'-désoxyribose (C$_5$H$_10$O$_4$) dans l'ADN.
  • L'ose est sous forme hémiacétalique (furanose), en conformation β et de configuration lévogyre.
• Base azotée : Hétérocycle aromatique, se lie à l'azote 1 pour les pyrimidiques et à l'azote 9 pour les puriques.

Bases Azotées Principales

Il existe deux grandes familles de bases azotées : les purines et les pyrimidines.

• Bases puriques :
  • Adénine (A) : 6-aminopurine.
  • Guanine (G) : 2-amino,6-oxypurine.
• Bases pyrimidiques :
  • Cytosine (C) : 4-amino,2-oxy-pyrimidine.
  • Thymine (T) : 5-méthyl, 2,4-dioxypyrimidine (présente dans l'ADN).
  • Uracile (U) : 2,4-dioxypyrimidine (présente dans l'ARN).

Bases Azotées Modifiées

Les bases azotées peuvent subir diverses modifications, soit par transformation chimique, soit naturellement, soit sous forme d'analogues synthétiques.

Modifications par Transformation Chimique

1. Méthylation (n°1) :
   • Chez les bactéries, elle est liée à la protection contre les bactériophages.
   • Chez les eucaryotes, les cytosines sont méthylées si elles sont suivies d'une guanine (CpG).
2. Désamination lente (n°2) :
   • Processus spontané, 100 fois plus important pour les pyrimidines.
   • Conduit à des transformations :
     • Adénine → Hypoxanthine
     • Cytosine → Uracile
     • 5-méthylcytosine → Thymine
   • Peut entraîner le remplacement de C par U dans l'ADN, créant des appariements aberrants.
3. Dépurination (n°3) :
   • Perte d'une base purique (adénine ou guanine) de la chaîne d'ADN, laissant un site apurique (site AP).
4. Radiations (n°4) :
   • Les radiations (UV) peuvent ouvrir les cycles des bases azotées et briser leurs liaisons.
   • Formation de dimères de pyrimidines (ex: dimère de thymine), causant des pontages entre bases superposées et la rupture de l'hélice.
5. Alkylation (n°5) :
   • La méthylation en position O⁶ est la plus fréquente, formant la O⁶-méthyl-guanine.
6. Autres modifications chimiques (n°6) :
   • De nombreux produits, comme le benzopyrène, réagissent avec les bases de l'ADN, formant des adduits chimiques volumineux.

Modifications Naturelles

Ces bases sont des dérivés naturels, parfois des points de dégradation d'alcaloïdes végétaux :

• Théophylline (1,3-diméthylxanthine).
• Théobromine (3,7-diméthylxanthine).
• Caféine (1,3,7-triméthylxanthine).

Analogues Synthétiques

Certains analogues synthétiques sont utilisés comme médicaments :

• 5-Fluorouracile (5-FU) : Anticancéreux de la classe des anti-métabolites (analogues pyrimidines) affectant la synthèse des ADN et ARN.

Propriétés Physico-chimiques des Bases Azotées

Les bases azotées possèdent des propriétés clés dues à leur structure aromatique :

• La molécule est fortement stabilisée dans une configuration plane.
• La protonation d'un azote empêche la protonation des autres.
• La molécule existe sous différentes formes tautomères.
• Elles possèdent des propriétés spectrales (absorption dans l'UV).

Tautomérie des Bases Azotées

Les bases azotées peuvent exister sous différentes formes tautomères :

• Formes aminées (pour A et C) et cétoniques (pour G et T) sont en équilibre avec les formes iminées et énoliques, respectivement.
• L'équilibre est largement en faveur des formes lactame (aminées et cétoniques) et dépend du solvant et du pH.
• Ces propriétés influencent l'absorbance dans l'UV, qui dépend de l'empilement des bases et du pH.

Nucléosides Principaux

Les nucléosides sont formés par la liaison d'une base azotée à un ose. Ce sont des N-hétérosides dont l'aglycone est la base azotée.

• Suffixe "osine" pour les nucléosides puriques.
• Suffixe "idine" pour les nucléosides pyrimidiques.

Nomenclature des Nucléosides et Nucléotides

La liaison base-sucre se fait entre le carbone anomérique du ribose et l'azote 1 (bases pyrimidiques) ou l'azote 9 (bases puriques).

CODE	BASE	NUCLÉOSIDE	NUCLÉOTIDE = nucleoside +P	ADN monophosphate	ARN monophosphate
A	Adénine	Adénosine	Acide adénylique (mono, di ou triP)	dAMP	AMP
I	(Hypoxanthine)	(Inosine)		5'-phosphate	IMP
G	Guanine	Guanosine	Acide guanylique	dGMP	GMP
C	Cytosine	Cytidine	Acide cytidylique	dCMP	CMP
T	Thymine	Thymidine	Acide thymidylique	dTMP	TMP
U	Uracile	Uridine	Acide uridylique		UMP

Conformations des Sucres et Bases

Les sucres adoptent différentes conformations, notamment les conformères de rotation des sucres :

• Conformation anti
• Conformation syn

Les conformations peuvent être endocycliques (C2'-endo, C3'-endo) ou exocycliques (comme C2' exocyclique).

Nucléosides Modifiés

Plus d'une centaine de nucléosides modifiés existent dans les acides nucléiques, souvent issus de modifications post-transcriptionnelles.

• Pseudouridine ($\Psi$) : Un isomère glycosidique avec une liaison C-osidique, trouvé lors de la maturation des ARN ribonucléiques (tous les types d'ARN sauf ARNm).
• Dihydrouridine (D) : Présente notamment dans les ARNt et ARNr.

Analogues Nucléosidiques Synthétiques

Certains analogues sont utilisés en thérapeutique :

• AZT (Azidothymidine) : Antirétroviral (anti-HIV).
• Aciclovir (acyclovir) : Antiviral. Le sucre cyclique est remplacé par une chaîne ouverte. Un "chain-terminator".

Nucléotides Libres de la Cellule

Les nucléotides libres de la cellule sont des esters phosphoriques des nucléosides. Si l'ose est un désoxyribose, le symbole est précédé de "d" (ex: dAMP).

Monoesters

Ils peuvent être monophosphates, diphosphates ou triphosphates. Les nucléotides 5'-triphosphates sont essentiels :

• ATP (Adénosine Triphosphate) : Source centrale d'énergie de la cellule (monnaie énergétique), permet la synthèse des acides ribonucléiques (avec GMP, UMP, CTP) et des transferts de phosphate. La liaison ~ est riche en énergie ($\Delta G0 = -30,5 \mathrm{~KJ} / \mathrm{mol}$).
• UTP : Source d'énergie pour le métabolisme des sucres.
• GTP : Source d'énergie pour la synthèse des protéines.
• CTP : Source d'énergie pour la synthèse des lipides.

Di-esters

Nucléotides où le sucre est estérifié deux fois par un même groupement phosphate (pont phosphodiester).

• AMPc (Adénosine 3':5'-(mono)phosphate cyclique)
• GMPc (Guanosine 3':5'-(mono)phosphate cyclique)
• Ces composés sont des seconds messagers intracellulaires.

Modifications Spécifiques

• Amino-acyl-AMP : Exemple de modification.
• UDP-Glucose (Uridine diphosphoglucose) : Forme active du glucose, impliquée dans le métabolisme des glucides.
• Coenzymes : Beaucoup de coenzymes importants sont des dérivés nucléotidiques (ex: NAD+, FAD).

Polynucléotides : Structure Primaire des Acides Nucléiques

Les acides nucléiques sont des polynucléotides enchaînés par des liaisons phosphodiesters (entre le C3' d'un ose et le C5' de l'ose suivant), formant un brin d'acide nucléique orienté 5' -> 3'.

• Les nucléotides tri-phosphates servent de monomères pour la polymérisation.
• Lors de la réplication, la polymérisation orientée 5' → 3' libère une molécule de pyrophosphate inorganique.
• L'énergie produite par la rupture des liaisons ~ (~P) permet la polymérisation.
• Après incorporation dans la chaîne, ils deviennent monophosphates.

Un antiviral comme l'Aciclovir est un analogue qui agit comme un "chain-terminator" en s'incorporant dans la chaîne et empêchant son allongement.

L'Hélice d'ADN

Découverte, Concepts, Conventions

La découverte de la structure de l'ADN s'est appuyée sur plusieurs avancées :

• 1944 : Travaux d'Oswald Avery sur la nature du matériel génétique.
• 1949 : Travaux de Chargaff sur le contenu en bases (A=T, G=C).
• 1951-52 : Contributions de Rosalind Franklin (clichés de diffraction X).
• 1953 : James Watson et Francis Crick proposent le modèle en double hélice.
• 1962 : Prix Nobel de physiologie ou médecine décerné à Watson, Crick et Wilkins.

Données fondamentales ayant mené au modèle

• Composition chimique de l'ADN.
• Règles de Chargaff : $\frac{A+G}{T+C}=1$ et $\frac{A}{T}=\frac{G}{C}=1$.
• Microscopie électronique : diamètre de 20 Å suggérant deux brins.
• Clichés de diffraction X :
  • Deux brins antiparallèles et hélicoïdaux.
  • Squelette externe : sucre et phosphate.
  • Squelette interne : bases azotées.
  • Plan des bases perpendiculaire à l'axe de l'hélice.

Conventions de l'ADN

• Les deux brins de l'ADN sont antiparallèles (un 5'-3' et l'autre 3'-5').
• L'hélice d'ADN présente un Grand Sillon (surface de reconnaissance par les protéines régulatrices) et un Petit Sillon.
• Un hélicoïde complet correspond à deux hélices qui tournent dans le même sens mais ne se croisent jamais.

Polymorphisme de l'Hélice d'ADN

L'ADN peut adopter différentes formes hélicoïdales : A, B et Z.

Forme B (Forme la plus courante)

• Hélice droite.
• Plan des bases perpendiculaire à l'axe.
• Deux sillons profonds : l'un majeur, l'autre mineur.
• 10 paires de nucléotides par tour (34 Å).
• Oses en conformation C2'-endo/anti.

Forme A (Observée dans des conditions spécifiques)

• Hélice droite.
• 11 paires de nucléotides par tour (26 à 28 Å).
• Un sillon étroit et profond, l'autre large et superficiel.
• Plan des bases légèrement incliné par rapport au plan des bases de l'hélice B.
• Oses de conformation C3'-endo/anti.
• Observée en présence de fortes concentrations en cations (Mg++, Ca++), faible hydratation (<65%), ou avec l'ARN lors de la transcription.

Forme Z (Hélice gauche)

• Hélice de pas gauche (ZigZag).
• 12 résidus par tour (45 Å).
• Un seul type de sillon profond, résultant de l'alternance de nucléotides à base purine (C3'-endo/syn) et pyrimidine (C2'-endo/anti).
• Plan des bases perpendiculaire à l'axe.
• Observée sur des portions d'ADN riches en séquences G et C alternées (GCGCGCGC).

Le Cis-Platine est un anticancéreux dont les effets impliquent la modification de la structure de l'ADN.

Appariements des Bases

Les bases s'apparient de manière spécifique dans l'ADN selon les règles de Chargaff et Watson-Crick :

• Adénine (A) s'apparient avec Thymine (T) par deux liaisons hydrogène.
• Guanine (G) s'apparient avec Cytosine (C) par trois liaisons hydrogène.

La distance entre les deux points d'attachement des paires A-T et G-C est identique, assurant l'uniformité du diamètre de l'hélice.

Stabilité de l'Hélice d'ADN

La stabilité de l'hélice d'ADN est due à plusieurs facteurs :

Liaisons faibles

• Empilement des bases : Les cycles aromatiques des bases sont séparés d'environ 4 Å.
• Interactions hydrophobes entre les bases empilées.
• Interactions de van der Waals entre les bases.
• Liaisons hydrogène entre les paires de bases (A-T et G-C).

Influence des paramètres du milieu

• Température : La chaleur provoque la dénaturation (séparation des brins d'ADN).
• pH : Des pH extrêmes peuvent également dénaturer l'ADN.
• La dénaturation peut aussi être obtenue avec de l'urée 6M.

Sensibilité

• Sensibilité aux UV : Provoque des altérations des bases, notamment la formation de dimères de pyrimidines (Cf. § 2.2 bases modifiées).
• Sensibilité à l'hydrolyse :
  • pH basique extrême : L'ARN est plus sensible que l'ADN.
  • pH acide (pH4) : Les liaisons osidiques sont coupées sur les nucléotides à purine, formant de l'ADN apurinique.
  • pH 1 : Toutes les liaisons (ester-phosphate, osidiques) sont coupées.
  • L'hydrolyse peut également être enzymatique (nucléases).

ARN (Acides Ribonucléiques)

Généralités

• Le ribose remplace le désoxyribose de l'ADN.
• L'Uracile (U) remplace la Thymine (T) de l'ADN.
• L'ARN peut s'apparier avec un ARN complémentaire (appariements intermoléculaires : A-U, G-C, ou Wobble).
• Les ARN sont généralement simple brin, mais peuvent présenter des zones d'appariements intramoléculaires (tiges) pour former des structures secondaires.
• Des interactions ARN-protéines peuvent former des RNP (RibonucléoProtéiques Complexes).

Principaux Types Structuraux

ARNt (ARN de transfert)

• 10 à 20% des ARN totaux.
• Structure secondaire en "trèfle", structure tertiaire en "L".
• Possède des bases atypiques (Inosine (I), pseudouridine ($\Psi$), dihydrouridine (D), ribothymidine (T)) dans quatre boucles : $\Psi$, variable, D, anti-codon.
• Rôle majeur dans la traduction (transport des acides aminés).
• Transcription par l'ARN polymérase III.
• Se terminent tous (en 3') par la séquence CCA (tige acceptrice).
• Les acides aminés sont branchés par estérification avec la fonction OH libre (en C2' ou C3') de la tige acceptrice.

ARNm (ARN messager)

• 2 à 5% de l'ARN total.
• Très hétérogènes en séquence, longueur de 400 à 6000 nucléotides.
• Rôle : support temporaire de l'information génétique pour la synthèse des protéines.
• Présentent des structures secondaires (tiges-boucles, épingles à cheveux).
• Transcription par l'ARN polymérase II.
• Très faible stabilité (fragile), le moins abondant mais avec le taux de transcription le plus élevé.
• Possède des modifications post-transcriptionnelles :
  • Polyadénylation (ajout d'une queue poly-A en 3').
  • Coiffe (CAP) : Branchement d'un nucléotide guanylique original (base méthylée en position 7) par liaison anhydride d'acide sur l'extrémité 5' tri-phosphate.

ARNr (ARN ribosomaux)

• 80 à 85% de l'ARN total.
• Plusieurs centaines de copies identiques dans le génome (120 à 2000 nucléotides).
• Sont des catalyseurs enzymatiques (ribozymes) – Prix Nobel Tom Cech & Sidney Altman (1989).
• Structures secondaires et tertiaires originales et complexes (ex: tête de marteau).
• Quatre types chez les eucaryotes (5S, 5.8S, 18S, 28S) et trois chez les procaryotes (5S, 16S, 23S).
• S'assemblent en unités fonctionnelles complexes : les ribosomes (exemple de RNP).
• Transcription par l'ARN polymérase I (sauf 5S par ARN pol III).

Autres Types d'ARN

Représentent moins de 2% du total et participent à la maturation ou à la stabilité des autres ARN.

• snARN ("small nuclear" ARN) : Éléments constitutifs du Spliceosome.
• ARN interférents : ARN régulateurs se liant aux ARNm pour contrôler leur traduction ou leur dégradation.
  • mi-ARN (micro-ARN) : Naturels.
  • si-ARN (silence interfering RNAs) : Synthétiques.
  • Le mécanisme d'interférence (découvert par Andrew Z. Fire et Craig C. Mello, Prix Nobel 2006) implique la formation d'un complexe RISC qui cible des ARNm, jouant un rôle crucial dans la régulation de l'expression génique (50% du génome), la défense antivirale et le cancer.