Fiche de révision : Acides nucléiques et expression génétique

📋 Plan du Cours

1. Découvertes et dogme moléculaire
2. Organisation et taille des génomes
3. Nucléotides et liaisons phosphodiester
4. Structure et compaction de l’ADN
5. Classes et fonctions des ARN
6. Propriétés physico-chimiques et dosage
7. Réplication et amplification par PCR
8. Transcription des gènes
9. Traduction et code génétique

📅 Repères chronologiques

1. 1944E. Schrödinger propose le concept du code génétique.
2. 1952Avery, Hershey et Chase établissent que l’ADN porte l’information génétique. - Avery, Hershey & Chase, 1952
3. 1953Watson, Crick et Wilkins décrivent la double hélice de l’ADN. - Watson, Crick & Wilkins, 1953

📖 1. Découvertes et dogme moléculaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Dogme central : Central Dogma of Molecular Biology, 1970 - Le dogme central de Francis Crick décrit l’ADN comme dirigeant sa propre réplication et sa transcription en ARN, lequel peut être traduit en protéines.
• Épigénome : L’ensemble des modifications épigénétiques d’une cellule, c’est-à-dire son état épigénétique.

★ À maîtriser

• L’épigénétique modifie l’environnement des acides nucléiques par des étiquettes biochimiques susceptibles d’activer ou de bloquer la lecture des gènes, et ces modifications peuvent être transmissibles.

Compléments

• Le cours signale un retour possible de l’ARN vers une forme ADN, des génomes viraux constitués d’ARN simple ou double brin, et une régulation des étapes par de nombreuses protéines.

💡 Astuce mémo

ADN → ARN → protéine : réplication, transcription, traduction

📖 2. Organisation et taille des génomes

★ À maîtriser

• Le génome humain est estimé à 3,3 × 10^9 paires de bases et à environ 26 000 gènes.

📌 Il n’existe pas de relation directe entre la complexité macroscopique d’un organisme et la taille de son génome ; le génome du maïs est approximativement aussi grand que celui de l’homme.

Compléments

• Le génome du maïs est estimé à 5 × 10^9 paires de bases et à environ 54 000 gènes.

• Le génome d’Escherichia coli comprend un chromosome de 4 × 10^6 paires de bases et environ 4 288 gènes.

• Le génome humain compte 23 paires de chromosomes, tandis que celui d’Arabidopsis thaliana en compte 5.

• Une cellule humaine contient environ 2 mètres d’ADN et l’organisme humain compte environ 10^13 à 10^14 cellules, dont 85 % sont des érythrocytes anucléés.

💡 Astuce mémo

Même ordre de grandeur des gènes, génomes de tailles très différentes

📖 3. Nucléotides et liaisons phosphodiester

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Formé par une liaison covalente entre un pentose et une base azotée.
• Nucléotide : Un nucléoside lié par estérification à un ou plusieurs groupements phosphate, généralement au carbone 5′ du sucre.

★ À maîtriser

• Les groupements phosphate donnent aux acides nucléiques une charge négative à pH physiologique, notamment par dissociation autour de pH 7,2.

• Les quatre bases azotées de l’ADN sont :

  • l’adénine
  • la thymine
  • la guanine
  • la cytosine

Compléments

• La liaison glycosidique d’un nucléoside se forme par élimination d’une molécule d’eau entre l’OH en C1 du sucre et le H en N1 d’une base pyrimidique ou en N9 d’une base purique.

• Les nucléotides de l’ADN sont désignés dNMP, dNDP et dNTP, tandis que ceux de l’ARN sont désignés NMP, NDP et NTP.

• Les liaisons anhydres entre phosphates des nucléosides di- et triphosphates portent l’énergie utilisée lors de l’allongement de la chaîne d’ADN.

📖 4. Structure et compaction de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Transposon : Une séquence d’ADN capable de se déplacer de manière autonome dans un génome.

★ À maîtriser

• La double hélice d’ADN est constituée de deux brins antiparallèles associés par des liaisons hydrogène entre leurs bases complémentaires.

• Les nucléotides d’un même brin d’ADN sont reliés par des liaisons phosphodiester 3′-5′ entre le phosphate en 5′ d’un nucléotide et l’hydroxyle en 3′ du précédent.

• Lors de l’allongement d’un brin d’ADN, l’ADN polymérase incorpore à l’extrémité 3′ un nucléotide complémentaire provenant d’un dNTP, et la chaîne s’allonge dans le sens 5′ vers 3′.

• Chez les eucaryotes, l’ADN s’associe à des protéines pour former la chromatine, organisée en chromosomes, et son niveau de compaction dépend du cycle cellulaire.

Compléments

📌 L’ADN présente des formes hélicoïdales A, B et Z selon les conditions d’hydratation ; la forme B est la plus représentée et la forme Z est une hélice gauche.

• Chez les eucaryotes, l’ADN linéaire peut atteindre 2 mètres dans une cellule dont le noyau mesure environ 10 micromètres de diamètre.

• Dans le génome humain, les séquences répétées, dont les transposons, représentent environ 50 %, les introns 24 % et les exons 1 %.

💡 Astuce mémo

ADN nucléaire linéaire, ADN des organites généralement circulaire

📖 5. Classes et fonctions des ARN

★ À maîtriser

📌 L’ARN contient un ribose portant un groupe 2′-OH et de l’uracile à la place de la thymine, ce qui le rend chimiquement moins stable que l’ADN.

• Les ARN sont généralement simple brin, mais certains ARN viraux sont double brin et certains ARN se replient en structures tridimensionnelles complexes.

• Les ribosomes sont composés d’ARNr et de protéines, et leur ARN ribosomique catalyse la formation des liaisons peptidiques, ce qui en fait des ribozymes.

Compléments

• Les ARN ribosomiques représentent environ 80 % des ARN et comprennent notamment les ARNr 18S, associé à la petite sous-unité du ribosome, et 28S, 5,8S et 5S, associés à sa grande sous-unité.

• Les ARNm représentent environ 5 % des ARN, constituent une population hétérogène d’environ 10 000 espèces et portent les messages utilisés pour fabriquer les protéines.

• Les petits ARN nucléaires snRNA, snoRNA et scaRNA s’associent à des protéines en RNPpn et participent à l’épissage des ARN prémessagers ainsi qu’à la maturation des ARNr et des ARNt.

• Les microARN, découverts en 1993, bloquent la traduction de l’ARNm par les ribosomes.

• Les petits ARN interférents ou siRNA sont généralement apportés par un envahisseur comme un virus, sont double brin et entraînent la dégradation des ARNm de l’hôte.

📖 6. Propriétés physico-chimiques et dosage

🔑 Notions clés & Définitions

• Température de fusion : La température de fusion, ou Tm, est la température à laquelle une solution de molécules identiques contient autant d’ADN sous forme double brin que sous forme simple brin.

★ À maîtriser

• La dénaturation de l’ADN sépare réversiblement les deux brins sous l’effet de facteurs comme la température ou le pH, qui affectent les liaisons hydrogène.

• Les acides nucléiques absorbent la lumière grâce à leurs bases azotées aromatiques et peuvent ainsi être dosés par spectrophotométrie.

📐 Formule - La loi de Beer-Lambert s’écrit $A_\lambda = \varepsilon_\lambda l c$, où l’absorbance dépend du coefficient d’extinction molaire, du trajet optique et de la concentration.

• Le rapport A260 nm/A280 nm d’une solution d’ADN pur est compris entre 1,8 et 2 ; une valeur inférieure à 1,7 indique une contamination par des protéines et une valeur supérieure à 2 une contamination par l’ARN.

Compléments

• Les protéines peuvent être dosées à 280 nm en suivant principalement l’absorption des acides aminés aromatiques, surtout le tryptophane, tandis que les bases nucléiques sont suivies à 260 nm.

📖 7. Réplication et amplification par PCR

★ À maîtriser

• Meselson et Stahl démontrent en 1958 que la réplication de l’ADN est semi-conservative : chaque brin original sert de matrice à un nouveau brin complémentaire.

• La synthèse de l’ADN utilise des amorces d’ARN produites par la primase ; l’ADN polymérase allonge les brins, les amorces sont remplacées par de l’ADN et une ligase relie les fragments.

• La PCR amplifie in vitro un fragment d’ADN en répétant la dénaturation du double brin et la synthèse à partir d’amorces, dont le couple détermine les extrémités du fragment amplifié.

Compléments

• Après 20 cycles, la PCR produit théoriquement 2^20, soit environ 10^6 fois le nombre initial de copies du fragment ciblé.

• La PCR peut amplifier une séquence d’ARN après une étape de transcription inverse qui la convertit en ADN double brin.

• La Taq polymérase, issue de Thermophilus aquaticus, résiste à la dénaturation de l’ADN à 95–100 °C et fonctionne à 72 °C.

💡 Astuce mémo

Dénaturer, amorcer, allonger : la PCR répète ce cycle

📖 8. Transcription des gènes

🔑 Notions clés & Définitions

• Promoteur : Une région portant des séquences consensus reconnues lors de l’initiation de la transcription.

★ À maîtriser

• Chez les eucaryotes, l’ARN polymérase I synthétise les ARNr, l’ARN polymérase II les ARNm et l’ARN polymérase III les ARNt.

📌 Chez les eucaryotes, un gène peut produire un ARNm, tandis que chez les procaryotes un opéron peut réunir plusieurs gènes transcrits dans un même ARNm.

Compléments

• Chez les bactéries, l’ARN polymérase comporte un cœur α₂ββ′ω et une holoenzyme α₂ββ′ωσ.

📖 9. Traduction et code génétique

★ À maîtriser

• 🔄 La traduction comprend trois étapes :

  1. Initiation par reconnaissance d’AUG
  2. Élongation du polypeptide
  3. Terminaison à la rencontre d’un codon non-sens

• La phase de lecture détermine le regroupement des nucléotides en codons et conditionne donc le message traduit.

Compléments

• Le code génétique est redondant: 64 codons codent directement 20 acides aminés, avec deux acides aminés supplémentaires.

• Le code génétique est dit universel, avec des exceptions telles que l’utilisation de GUG ou GUU comme codon d’initiation chez certains procaryotes.

• Dans la séquence d’ADN codant, ATG correspond à AUG sur l’ARNm, tandis que TAA, TAG et TGA correspondent aux codons d’arrêt UAA, UAG et UGA.

💡 Astuce mémo

AUG initie, l’élongation suit, un codon non-sens termine

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des génomes