Fiche de révision : Biologie moléculaire et acides nucléiques

📋 Plan du Cours

1. Repères historiques de la biologie moléculaire
2. Bases azotées et modifications
3. Sucres, nucléosides et nucléotides
4. Polymérisation des acides nucléiques
5. Structure et fonctions de l’ADN
6. Composition en bases et règles de Chargaff
7. Structure secondaire de l’ADN
8. Conformations de la double hélice
9. Dénaturation et propriétés physiques
10. Organisation et compaction de la chromatine
11. Types de chromatine
12. Nucléosome et niveaux de compaction

📅 Repères chronologiques

1. 1859Charles Darwin présente la théorie de l’évolution des espèces par sélection naturelle, selon laquelle elles évoluent progressivement sous l’effet des variations et de leur environnement.
2. 1866Gregor Mendel publie ses travaux sur les lois de l’hérédité, notamment les caractères dominants et récessifs, qui restent largement ignorés jusqu’au début du XXᵉ siècle.
3. 1944Erwin Schrödinger publie What Is Life? et s’interroge sur la manière dont l’information héréditaire peut être stockée dans les chromosomes.
4. 1944Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty montrent que l’ADN, et non les protéines, est le support de l’information génétique.
5. 1953Francis Crick et James Watson proposent le modèle de l’ADN en double hélice, notamment à partir de travaux de diffraction des rayons X, dont ceux de Rosalind Franklin.
6. à partir de 1961Le code génétique, qui fait correspondre les codons aux acides aminés, est déchiffré.

📖 1. Repères historiques de la biologie moléculaire

★ À maîtriser

• Francis Crick et James Watson décrivent l’appariement complémentaire des bases azotées A-T et G-C.

Compléments

• À la fin du XIXᵉ siècle, August Weismann propose que l’information héréditaire est transmise entre générations par les cellules germinales, théorie du plasma germinatif qui préfigure la notion d’information génétique.

• Les travaux de François Jacob, Jacques Monod et André Lwoff contribuent à comprendre la régulation de l’expression des gènes et à mettre en évidence le rôle de l’ARNm comme intermédiaire entre l’ADN et les protéines.

• Richard Roberts et Phillip Sharp montrent que les gènes eucaryotes peuvent être fragmentés en exons et introns et mettent en évidence l’épissage.

• Hugo de Vries participe à la redécouverte des travaux de Mendel et développe la notion de mutation.

• Les techniques développées par la suite comprennent : le séquençage, la synthèse des acides nucléiques, la PCR, la production de protéines recombinantes, la bio-informatique, le séquençage des génomes, notamment du génome humain

📖 2. Bases azotées et modifications

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide nucléique : Polymère très long dont la séquence linéaire est constituée d’unités répétées appelées nucléotides.
• Nucléotide : Constitué d’une base azotée, d’un sucre à cinq carbones et d’un ou plusieurs groupements phosphate; dans une chaîne nucléotidique, chaque nucléotide porte un seul groupement phosphate.

★ À maîtriser

📌 Les bases pyrimidiques sont monocycliques et comportent deux azotes, tandis que les bases puriques sont bicycliques et comportent quatre azotes.

• Les bases pyrimidiques sont :
  • la cytosine
  • la thymine, présente seulement dans l’ADN
  • l’uracile, présent seulement dans l’ARN

Compléments

• Les bases puriques sont l’adénine et la guanine; l’adénine est la seule base azotée dépourvue d’oxygène comme groupement substitutif.

• À pH physiologique, les formes majoritaires sont la forme céto pour les oxygènes liés aux bases et la forme amino pour leurs azotes.

• L’ADN contient les bases A, T, C et G, tandis que l’ARN contient A, U, C et G.

• La 5-méthylcytosine résulte de la méthylation d’une cytosine de l’ADN et intervient notamment dans la régulation de l’expression des gènes.

• L’hypoxanthine, dérivée de l’adénine, se retrouve notamment sous forme d’inosine dans les anticodons de certains ARNt.

💡 Astuce mémo

Pyrimidines à un cycle, purines à deux cycles

📖 3. Sucres, nucléosides et nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Formé d’un sucre et d’une base azotée reliés par une liaison N-glycosidique covalente de type β.

• Nucléotide : Nucléoside auquel sont liés un à trois groupements phosphates par une liaison ester au carbone 5′ du sucre.

★ À maîtriser

📌 Le β-D-ribose est le sucre de l’ARN, tandis que le β-D-désoxyribose est celui de l’ADN.

• La disparition du groupement hydroxyle en 2′ rend le désoxyribose environ 100 fois plus stable que le ribose et l’ADN plus résistant à l’hydrolyse que l’ARN.

Compléments

• Les sucres des acides nucléiques sont des pentoses à cinq atomes de carbone, dont le cinquième n’appartient pas au cycle.

• La liaison N-glycosidique relie le carbone 1′ du sucre à l’azote en position 1 d’une base pyrimidique ou à l’azote en position 9 d’une base purique.

• Les nucléotides sont principalement synthétisés par le foie à partir d’acides aminés par la voie de novo ou par récupération de bases azotées libres.

• Les groupements phosphate apportent des charges négatives aux polymères et sont à l’origine des propriétés acides des acides nucléiques.

• L’ATP, ou adénosine triphosphate, est la principale source d’énergie chimique dans les cellules, notamment dans les mitochondries.

📖 4. Polymérisation des acides nucléiques

★ À maîtriser

• Un polymère d’acides nucléiques se forme par estérification du 3′-OH d’un sucre avec le phosphate en 5′ du nucléotide suivant, créant une liaison phosphodiester 3′-5′.

• Un brin nucléique est polarisé de l’extrémité 5′ phosphate vers l’extrémité 3′-OH.

📌 La synthèse d’un polymère d’acides nucléiques se déroule toujours dans le sens 5′ vers 3′.

Compléments

• Les liaisons phosphodiester forment un squelette constant alternant sucres et phosphates, tandis que les bases azotées varient et ne font pas partie de ce squelette.

• À pH physiologique, les phosphates rendent les acides nucléiques négatifs et sont orientés vers l’extérieur de l’hélice, ce qui favorise leurs interactions avec les protéines chargées positivement.

• Une séquence d’ADN se lit base par base de l’extrémité 5′ vers l’extrémité 3′.

• La longueur d’un brin d’ARN s’exprime en bases (b), celle d’un ADN bicaténaire en paires de bases (pb), et les préfixes kb, Mb et Gb correspondent respectivement à 10³, 10⁶ et 10⁹.

• Le génome humain contient 3 milliards de paires de bases à l’état haploïde.

📌 Un NTP libre est un précurseur d’acide nucléique, tandis qu’un nucléotide est un monomère d’acide nucléique.

• L’ADN est constitué d’une succession de désoxyribonucléosides monophosphate.

📖 5. Structure et fonctions de l’ADN

★ À maîtriser

• L’ADN constitue le patrimoine génétique des formes de vie cellulaires ainsi que de nombreux virus et contient l’information nécessaire à l’édification, au fonctionnement et à la reproduction de l’organisme.

• L’ADN a pour fonctions principales le stockage et la pérennité de l’information génétique, sa réplication au cours du cycle cellulaire et la transcription en ARN, qui sert de matrice à la synthèse des protéines.

Compléments

• La structure primaire de l’ADN correspond à l’enchaînement des nucléotides avec une élongation dans le sens 5′-3′.

📌 Chez l’être humain, l’ADN nucléaire est linéaire, tandis que l’ADN mitochondrial est circulaire.

📖 6. Composition en bases et règles de Chargaff

★ À maîtriser

• Erwin Chargaff décrit la composition en bases de l’ADN en 1949, et le rapport $\frac{G+C}{A+T}$ est spécifique d’une espèce.

📐 Formule - Les règles de Chargaff indiquent que $n(A)=n(T)$ et $n(G)=n(C)$.

Compléments

• Au sein d’une même espèce, les ADN isolés de tissus différents ont la même composition globale en bases, qui n’est pas modifiée par l’âge, l’état nutritionnel ou l’environnement.

📐 Formule - Dans l’ADN, le nombre de purines égale le nombre de pyrimidines, soit $A+G=T+C$ et $\frac{A+G}{T+C}=1$. - Chargaff, 1950

📖 7. Structure secondaire de l’ADN

★ À maîtriser

• Watson et Crick décrivent la structure en double hélice de l’ADN de forme B en 1953, à partir des travaux de Chargaff et de R. Franklin. - Watson & Crick

• La forme B de l’ADN est une macromolécule hélicoïdale constituée de deux polymères associés dont les brins sont antiparallèles, orientés 5′→3′ et 3′→5′.

• Dans la forme B, l’adénine s’apparie à la thymine par 2 liaisons hydrogène et la cytosine à la guanine par 3 liaisons hydrogène.

Compléments

• La forme B est une hélice droite qui compte 10 paires de bases par tour, avec un pas de 3,4 nm et une distance de 0,34 nm entre paires de bases.

• Le diamètre de la double hélice de forme B est de 2 nm et elle présente un grand sillon et un petit sillon permettant des interactions avec des ions ou des protéines.

• Les liaisons hydrogène entre les bases stabilisent la double hélice, tandis que les liaisons phosphodiester covalentes relient les sucres et les phosphates du squelette.

💡 Astuce mémo

Deux rubans antiparallèles s’enroulent en hélice, reliés par des barreaux AT et CG.

📖 8. Conformations de la double hélice

📝 Points essentiels

📌 La forme A est une hélice droite plus compacte que la forme B, compte 11 paires de bases par tour et se forme en cas de déshydratation.

• La forme Z est une hélice gauche en zigzag qui compte 12 paires de bases par tour et pourrait participer à la régulation de l’expression des gènes.

💡 Astuce mémo

A et B tournent à droite, tandis que Z tourne à gauche.

📖 9. Dénaturation et propriétés physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Dénaturation de l’ADN : Séparation de ses deux brins par rupture des liaisons hydrogène.

★ À maîtriser

• La température de dénaturation de l’ADN augmente avec sa teneur en bases G et C, car les paires G-C comportent 3 liaisons hydrogène.

Compléments

• In vivo, les hélicases peuvent dénaturer l’ADN, tandis qu’in vitro cette séparation peut être provoquée par la chaleur ou par des agents chimiques comme les bases fortes, l’urée et le formamide.

• Lorsque la température est abaissée, l’ADN peut se renaturer par réassociation des deux brins grâce à la complémentarité des bases.

• L’ADN absorbe à 260 nm et sa concentration est proportionnelle à la densité optique.

• L’électrophorèse sépare les molécules d’ADN chargées négativement en fonction de leur taille exprimée en paires de bases.

💡 Astuce mémo

Plus de GC → davantage de liaisons hydrogène → température de dénaturation plus élevée.

📖 10. Organisation et compaction de la chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Chromatine : Association de l’ADN avec des protéines histones et non-histones, qui permet sa compaction dans le noyau.

★ À maîtriser

• Chez l’Homme, le génome haploïde compte environ 3 milliards de paires de bases, réparties dans 23 chromosomes, et sa longueur linéaire totale est d’environ 1 mètre.

• Le degré de compaction de la chromatine évolue constamment et module l’accessibilité de l’ADN, notamment pour la réplication, la réparation et la transcription.

Compléments

• Dans le noyau, chaque chromosome occupe un territoire spécifique et les chromosomes riches en gènes sont davantage localisés vers l’intérieur du noyau.

📖 11. Types de chromatine

★ À maîtriser

📌 L’euchromatine représente environ 93 % du génome humain ; elle est peu compactée, riche en gènes et active pour la transcription.

📌 L’hétérochromatine représente environ 7 % du génome humain ; elle est très compactée, située en périphérie du noyau et peu ou pas active en transcription.

Compléments

📌 L’hétérochromatine constitutive est pauvre en gènes mais peut en contenir, peut être transcrite et correspond aux centromères, aux télomères et aux régions péricentromériques.

📌 L’hétérochromatine facultative contient des gènes et son état est réversible, ce qui permet leur transcription.

💡 Astuce mémo

Euchromatine ouverte et active ; hétérochromatine compacte et peu active.

📖 12. Nucléosome et niveaux de compaction

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : Structure où 146 paires de bases d’ADN s’enroulent sur deux tours autour d’un octamère d’histones.

★ À maîtriser

• L’octamère du nucléosome comprend deux exemplaires de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4.

• Les niveaux de compaction suivants sont les grandes boucles surenroulées de 300 nm, la fibre large de 700 nm formée par leur compression et leur pliage, puis les chromatides, cinquième niveau qui atteint un facteur de compaction de 10 000.

Compléments

• L’histone H1 est une histone de liaison située entre deux nucléosomes ; elle n’appartient pas au nucléosome et stabilise la chromatine.

• Les cinq classes d’histones sont :

  • H1
  • H2A
  • H2B
  • H3
  • H4

• Le nucléosome compacte l’ADN d’un facteur 6 et apparaît au microscope électronique comme un collier de perles.

• Les modifications post-traductionnelles citées sont :

  • la phosphorylation
  • la méthylation
  • l’acétylation

• La fibre de 30 nm correspond au regroupement de plusieurs nucléosomes et constitue le deuxième niveau de compaction ; les modèles proposés comprennent le solénoïde à 6 nucléosomes par tour, le zigzag et le « Polymère melt ».

💡 Astuce mémo

Nucléosome → fibre de 30 nm → boucles de 300 nm → fibre de 700 nm → chromatides.