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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 marion.vankersschaver@gmail.com - 06 28 07 97 40
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A - Structure des nucléotides
1 – Phosphates2 – Ribose, désoxyribose3 – Bases azotées4 – Nucléosides et nucléotides
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A - Structure des nucléotides
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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3 – Bases azotées
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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3 – Bases azotées
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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3 – Bases azotées
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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3 – Bases azotées
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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3 – Bases azotées
BASES PYRIMIDIQUES : L’uracile est constituée d’un noyau pyrimidine dont les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone.
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3 – Bases azotées
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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A - Structure des nucléotides
5’ P
3’ OH
Ces molécules s’assemblent pour former des nucléotides
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A - Structure des nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOTIDESLa liaison d’un nucléoside avec un phosphate donne un nucléotide.
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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
NOMENCLATURE
Nucleoside monophosphate = nucleotide.
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4 - Nucléosides et nucléotides
Les bases azotées sont désignées par une initiale et par une couleur.
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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
RIBONUCLÉOSIDESAdénosine
Les autres ribonucléosides sont la guanosine, la cytidine et l’uridine.
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4 - Nucléosides et nucléotides
DÉSOXYRIBONUCLÉOSIDES Désoxyguanosine
Les autres désoxyribonucléosides sont : la désoxyadénosine, la désoxycytidine et la désoxythymidine.
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4 - Nucléosides et nucléotides
RIBONUCLÉOTIDESUridine MonoPhosphate = UMP ou uridylate
Les autres ribonucléotides sont : l’AMP, le GMP et le CMP.
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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES
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4 - Nucléosides et nucléotides
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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4 - Nucléosides et nucléotides
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
B - Structure des acides nucléiques
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Liaisons phosphodiester
Liaisons H
Extrêmité 5’
Extrêmité 3’
L'ADN est un polymère de nucléotides
B - Structure des acides nucléiques
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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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2 – Extrémités 5’ et 3’
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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2 – Extrémités 5’ et 3’
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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3 – Liaisons hydrogène
- L’atome d’hydrogène est électrophile.- Les atomes d’azote et d’oxygène sont nucléophiles.
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3 – Liaisons hydrogène
L’adénine peut former 2 liaisons H
avec la thymine.
La guanine peut former 3 liaisons H
avec la cytosine.
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3 – Liaisons hydrogène
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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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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4 - Acide Désoxyribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte
distance par leurs bases complémentaires.
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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire Liaisons H de type Watson Crick
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5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire Liaisons H de type Hoogsteen
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5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire Pseudonoeuds
mécanismes de formation d'un pseudonœud dans l'ARN
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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
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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5 - Acide Ribo Nucléique
ARN ribosomiques eucaryotesLe nombre de r-protéines est plus important que chez les procaryotes.
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5 - Acide Ribo Nucléique
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’
Carbone 3’ Carbone 3’
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6 – ADN vs ARN
ADN ARNDésoxyribose Ribose
Carbone 5’ Carbone 5’
Carbone 3’ Carbone 3’
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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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C - Chromatine et ADN
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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1 – Compaction de l’ADN
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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1 – Compaction de l’ADN
Histones Chaque molécule d'ADN du noyau est enroulée sur des protéines
appelées histones.
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1 – Compaction de l’ADN
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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1 – Compaction de l’ADN
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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1 – Compaction de l’ADN
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)
1 – Compaction de l’ADN
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1 – Compaction de l’ADN
En résumé...
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1 – Compaction de l’ADNEn résumé...
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1 – Compaction de l’ADNEn résumé...
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C - Chromatine et ADN
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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3 - ADN et cycle cellulaire
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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3 - ADN et cycle cellulaire