Fiche de révision : Acides nucléiques et ADN

📋 Plan du Cours

1. Constituants des acides nucléiques
2. Nucléosides et nucléotides
3. Organisation des chaînes polynucléotidiques
4. Réplication et structure de l’ADN
5. Propriétés de la double hélice
6. Compaction de l’ADN
7. Compaction de l’ADN eucaryote
8. Fonctions de l’ADN
9. Structure et transcription des ARN
10. ARN messagers, ribosomiques et de transfert
11. Code génétique et régulation des ARN
12. Propriétés physicochimiques des acides nucléiques

📅 Repères chronologiques

1. 1869Friedrich Miescher a isolé une substance riche en phosphore dans le noyau des globules blancs, qu’il a appelée « nucléine », reconnue plus tard comme l’ADN.
2. 1944Avery, MacLeod et McCarty ont démontré que l’ADN est le support de l’information génétique.
3. 1952Les expériences de Hershey et Chase ont confirmé que l’ADN est le support de l’information génétique.
4. 25 avril 1953La découverte de la structure de l’ADN a été publiée dans Nature.
5. 1962Watson, Crick et Wilkins ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine pour leurs découvertes concernant la structure moléculaire des acides nucléiques et son importance dans le transfert de l’information génétique.
6. 2024Ambros et Ruvkun ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine pour leur découverte du premier microARN, lin-4, en 1993.

📖 1. Constituants des acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides nucléiques : Molécules biologiques impliquées dans la transmission et la régulation de l’information génétique.
• Nucléotides : Monomères dont les acides nucléiques, ou polynucléotides, sont des polymères linéaires.
• Bases azotées : Composés aromatiques hétérocycliques contenant des atomes de carbone et d’azote.

★ À maîtriser

• Les deux types d’acides nucléiques sont l’ADN, acide désoxyribonucléique, et l’ARN, acide ribonucléique.

• Les bases pyrimidiques sont la cytosine, la thymine dans l’ADN et l’uracile dans l’ARN, tandis que les bases puriques sont l’adénine et la guanine.

• Le ribose est le pentose de l’ARN, tandis que le 2′-désoxyribose est celui de l’ADN.

Compléments

• Les constituants des acides nucléiques proviennent de l’alimentation (origine exogène) ou de la synthèse et de la dégradation par les cellules (origine endogène).

• Une base pyrimidique possède un cycle aromatique hexagonal de six atomes de carbone ou d’azote et deux atomes d’azote en positions 1 et 3.

• Une base purique possède deux cycles aromatiques accolés, un cycle pyrimidine hexagonal et un cycle imidazole pentagonal, totalisant neuf atomes de carbone ou d’azote, et quatre atomes d’azote en positions 1, 3, 7 et 9.

• Le pentose est un ose à cinq atomes de carbone, numérotés de 1′ à 5′.

• En 1909, Levene et Jacob ont découvert le D-ribose, puis Levene a identifié le désoxyribose en 1929.

📖 2. Nucléosides et nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Constitué d’une base azotée liée à un pentose par une liaison covalente β-N-glycosidique entre C1′ du pentose et N1 d’une pyrimidine ou N9 d’une purine.
• Nucléotide : Nucléoside portant un à trois groupements phosphates, liés au pentose par une liaison phosphoester entre le phosphate et C5′.
• Phosphate inorganique : En solution aqueuse, le phosphate inorganique existe sous quatre formes ioniques dépendant du pH : H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ et PO₄³⁻.

★ À maîtriser

• Les nucléotides monophosphates sont les unités constituantes de l’ADN et de l’ARN.

Compléments

📌 Les ions phosphates se lient entre eux par des liaisons phosphoanhydres covalentes riches en énergie, et se lient à un radical comme un nucléoside par une liaison phosphoester covalente.

• Les nucléotides à un, deux ou trois phosphates sont respectivement des monophosphates (NMP), diphosphates (NDP) et triphosphates (NTP), dont les phosphates sont nommés α, β et γ.

• Les nucléosides sont des précurseurs de synthèse des nucléosides mono-, di- ou triphosphatés.

• Les nucléotides libres peuvent servir de donneurs d’énergie (ATP, GTP), de coenzymes (CoA, NAD⁺, NADP⁺, FAD) ou de messagers (AMPc) ; les ribozymes, notamment les ARN catalytiques des ribosomes, sont des chaînes de nucléotides et non des nucléotides libres.

💡 Astuce mémo

Nucléoside : base + sucre ; nucléotide : nucléoside + phosphate(s).

📖 3. Organisation des chaînes polynucléotidiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison phosphodiester : Liaison covalente reliant le hydroxyle porté par C3′ d’un nucléotide au phosphate porté par C5′ d’un autre nucléotide et correspondant à deux liaisons phosphoesters.

★ À maîtriser

• Une chaîne polynucléotidique possède une extrémité 5′ portant un phosphate libre et une extrémité 3′ portant un hydroxyle libre.

• Par convention, une séquence nucléotidique est lue de 5′ vers 3′, par exemple 5′-ATGC-3′.

• Lors de la polymérisation, un nucléotide est ajouté à l’extrémité 3′-OH libre, ce qui allonge la chaîne dans le sens 5′ vers 3′ grâce à l’ADN polymérase en réplication ou à l’ARN polymérase en transcription.

Compléments

• Le squelette d’une chaîne polynucléotidique est constitué de pentoses et de phosphates, et les bases azotées portées par C1′ forment sa séquence spécifique.

• Les brins simples d’ADN et d’ARN sont synthétisés à partir de (désoxy)nucléosides triphosphatés, mais les nucléotides incorporés sont des monophosphates.

💡 Astuce mémo

Lecture 5′→3′ ; ajout au 3′-OH.

📖 4. Réplication et structure de l’ADN

📝 Points essentiels

• Pendant la réplication, le brin parental est lu dans le sens 3′ vers 5′ et le brin fils est synthétisé dans le sens 5′ vers 3′ par l’ADN polymérase à partir de dNTP, selon la complémentarité A=T et G≡C.

💡 Astuce mémo

Le brin matrice se lit 3′→5′, le brin neuf se construit 5′→3′.

📖 5. Propriétés de la double hélice

🔑 Notions clés & Définitions

• ADN double brin : Constitué de deux chaînes polynucléotidiques linéaires appariées par des liaisons hydrogène non covalentes.

★ À maîtriser

• Les deux brins de l’ADN double brin sont :

  • Antiparallèles
  • Complémentaires
  • Hélicoïdaux

• Dans tout ADN double brin, le nombre d’adénines égale celui des thymines, le nombre de guanines égale celui des cytosines, (A + G) égale (T + C), le rapport (A + G)/(T + C) vaut 1 et la quantité de purines égale celle des pyrimidines. - Erwin Chargaff

• Dans la double hélice, le squelette pentose-phosphate chargé négativement et hydrophile est orienté vers l’extérieur, tandis que les bases aromatiques hydrophobes sont orientées vers l’intérieur et protègent l’information génétique.

Compléments

• Dans l’ADN double brin, les liaisons hydrogène entre bases comprennent des interactions N-H···O et N-H···N et contribuent à la stabilité par leur grand nombre.

• Le rapport (A + T)/(G + C) dépend de l’espèce : il vaut 1,54 chez l’Homme et 1,00 chez E. coli. - Erwin Chargaff

• La conformation la plus répandue de l’ADN est l’ADN-B, une hélice droite.

📖 6. Compaction de l’ADN

📝 Points essentiels

• Dans une cellule humaine diploïde, le génome contient 6,6 × 10⁹ paires de bases, soit environ 2 mètres d’ADN stockés dans un noyau de 5–10 μm de diamètre.

• Dans les cellules procaryotes, la compaction de l’ADN implique des protéines de structure de la famille NAP (Nucleoid-Associated Proteins).

📖 7. Compaction de l’ADN eucaryote

📝 Points essentiels

• Dans les cellules eucaryotes, l’ADN interagit avec des protéines spécialisées, les histones et les protéines non histones, pour se compacter sous forme de chromatine.

📖 8. Fonctions de l’ADN

📝 Points essentiels

• L’ADN est le support de l’information génétique et contient des régions codantes, les gènes, ainsi que des régions non codantes.

• Les gènes codent un produit fonctionnel qui peut être une protéine ou un ARN non codant.

📖 9. Structure et transcription des ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• ARN : L’ARN est généralement une molécule monocaténaire constituée de nucléotides dont le ribose possède un groupe OH en C2′, et contient les bases A, U, G et C.

★ À maîtriser

• Pendant la transcription, le brin matrice de l’ADN est lu dans le sens 3′ vers 5′ et le brin d’ARN néosynthétisé est produit dans le sens 5′ vers 3′.

Compléments

• Pendant la transcription, l’appariement des bases suit les complémentarités A-U et G-C.

• Les ARN peuvent former localement des structures secondaires par appariement de bases complémentaires appartenant au même brin.

• Les petits ARN interférents, ou siRNA, constituent une exception à la structure généralement simple brin des ARN.

💡 Astuce mémo

Le brin matrice se lit 3′→5′, tandis que l’ARN naissant s’allonge 5′→3′.

📖 10. ARN messagers, ribosomiques et de transfert

★ À maîtriser

• Chez les eucaryotes, les ARNm sont exportés du noyau vers le cytosol pour être traduits, puis sont lus par le ribosome dans le sens 5′ vers 3′.

• La grande sous-unité du ribosome catalyse la formation des liaisons entre acides aminés grâce à l’activité peptidyltransférase, tandis que la petite sous-unité décode l’ARNm.

• Les ARNt représentent 10 à 15 % des ARN totaux et sont de petits ARN compacts de 70 à 95 nucléotides qui transportent les acides aminés jusqu’au ribosome en fonction du message de l’ARNm.

Compléments

• Les ARNm représentent 1 à 5 % des ARN totaux et mesurent de 500 nucléotides à plusieurs kilobases.

• Les ARNm servent de messagers entre l’ADN et le ribosome et présentent une région simple brin non structurée associée à une demi-vie courte.

• Les ARNr représentent 80 à 85 % des ARN totaux, mesurent de 100 à 5 000 nucléotides et s’associent à des protéines ribosomiques pour former des complexes ribonucléoprotéiques.

• L’ARNt fixe l’acide aminé à transférer sur son bras accepteur, à l’extrémité CCA-3′, et porte un anticodon qui reconnaît spécifiquement un codon de l’ARNm.

📖 11. Code génétique et régulation des ARN

★ À maîtriser

• Le code génétique associe des triplets de nucléotides, ou codons, formés avec A, C, G et U, et permet 64 combinaisons.

📌 Le code génétique est universel avec quelques exceptions, non ambigu car chaque codon correspond à un seul acide aminé, et dégénéré car plusieurs codons peuvent correspondre au même acide aminé.

• L’épissage des pré-ARNm eucaryotes comprend l’excision des introns non codants puis la liaison des exons pour produire un ARNm mature, et il est catalysé par le spliceosome, composé de snRNA et de protéines.

• L’épissage alternatif sélectionne différentes combinaisons d’exons d’un même pré-ARNm, produisant plusieurs ARNm et isoformes protéiques aux fonctions biologiques différentes.

Compléments

• Le code génétique comporte 61 codons sens pour 20 acides aminés protéinogènes, dont le codon d’initiation AUG correspondant à la méthionine, et 3 codons stop : UAA, UAG et UGA.

📌 Les siRNA sont très spécifiques et ciblent un ARNm, tandis que les miRNA peuvent cibler plusieurs ARNm.

• Les miRNA sont des ARN simple brin d’origine endogène qui régulent la stabilité et la traduction des ARNm, tandis que les siRNA sont des ARN double brin d’origine endogène ou exogène qui régulent la stabilité des ARNm.

• Les snRNA, présents dans le noyau des cellules eucaryotes, participent à l’épissage des ARNm et forment des complexes ribonucléoprotéiques appelés snRNP, qui s’assemblent avec d’autres protéines pour constituer les spliceosomes.

• Les snoRNA, présents dans le nucléole, participent aux modifications chimiques d’autres ARN, notamment les ARNr, les ARNt et les snRNA.

• Les applications thérapeutiques comprennent : les antagomirs qui bloquent des miRNA pathogènes, les miRNA mimics qui imitent des miRNA réprimés, les siRNA qui ciblent des ARNm pathogènes

• Les miRNA et les siRNA représentent moins de 1 % des ARN totaux et mesurent de 20 à 25 nucléotides.

• Les miRNA peuvent servir de biomarqueurs prédictifs, pronostiques ou diagnostiques et être détectés dans des tissus par RT-qPCR ou séquençage.

📖 12. Propriétés physicochimiques des acides nucléiques

★ À maîtriser

• À pH physiologique, les groupements phosphates rendent les acides nucléiques négativement chargés.

• Les acides nucléiques sont solubles en milieu aqueux salé et insolubles dans l’éthanol, où ils précipitent.

• Les acides nucléiques absorbent la lumière ultraviolette vers 260 nm grâce aux noyaux aromatiques de leurs bases azotées.

• L’augmentation de la température dénature l’ADN bicaténaire en séparant ses deux brins par rupture des liaisons hydrogène, et un refroidissement lent permet une dénaturation réversible.

Compléments

• Les acides nucléiques chargés négativement migrent vers la borne positive lors d’une électrophorèse sur gel d’agarose ou de polyacrylamide, ce qui permet de les séparer selon leur taille.

• L’ADN présente une viscosité élevée en raison de sa structure en double hélice et de sa grande longueur.

• La dénaturation des ARN est possible lorsque leurs structures secondaires locales se défont.

💡 Astuce mémo

Charges négatives → migration vers la borne positive.