Fiche de révision : Biologie moléculaire et méthodes

📋 Plan du Cours

1. Organisation des macromolécules
2. Sucres et glycoprotéines
3. Lipides et acides gras
4. Structure et propriétés des acides aminés
5. Liaison peptidique et structures protéiques
6. Enzymes et catalyse
7. Cinétique de Michaelis-Menten
8. Site actif et inhibitions
9. Génome et acides nucléiques
10. Structure de l’ADN
11. Transcription et maturation
12. Traduction de l’ARNm
13. Erreurs et réparation
14. Hybridation et électrophorèse
15. Southern, Northern et PCR
16. PCR-RFLP et Sanger

📖 1. Organisation des macromolécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Macromolécules : De très grosses molécules responsables des caractéristiques structurales et fonctionnelles des systèmes biologiques.

★ À maîtriser

• Les macromolécules se forment par polymérisation de monomères en polymères, généralement grâce à des réactions de condensation qui éliminent une molécule d’eau.

Compléments

📌 Les acides aminés forment les protéines par des liaisons peptidiques, les monosaccharides forment les glucides par des liaisons osido-ose ou osido-osidique, et les nucléotides forment les acides nucléiques par des liaisons N-glycosidiques ou ester-phosphoriques.

💡 Astuce mémo

Monomères → condensation → polymères → fonctions biologiques

📖 2. Sucres et glycoprotéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Oses : Ont pour formule brute $C_n(H_2O)_n$ avec $n \geq 3$ et possèdent un squelette carboné, des groupements hydroxyle et une fonction aldéhyde ou cétone.
• Glycoprotéines : Des chaînes d’acides aminés portant de petites chaînes d’un ou plusieurs oses ou dérivés d’oses liées de manière covalente.

★ À maîtriser

📌 Les oses, ou monosaccharides, sont des molécules élémentaires non hydrolysables, tandis que les osides, ou polysaccharides, sont composés de plusieurs oses et sont hydrolysables.

Compléments

📌 La N-glycosylation fixe un oligosaccharide sur l’asparagine, tandis que la O-glycosylation le fixe sur la sérine ou la thréonine.

💡 Astuce mémo

Oses non hydrolysables, osides hydrolysables

📖 3. Lipides et acides gras

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides gras : Une molécule amphipathique constituée d’une queue hydrocarbonée comportant un nombre pair de 4 à 24 carbones et d’une tête hydrophile carboxylique COOH.

★ À maîtriser

📌 Les acides gras saturés ne possèdent aucune double liaison dans leur chaîne carbonée et suivent la structure $CH_3-(CH_2)_{2n}-COOH$, tandis que les acides gras insaturés possèdent une ou plusieurs doubles liaisons.

📌 Les acides gras essentiels ne peuvent pas être synthétisés par l’organisme et doivent être apportés par l’alimentation, comme certains acides gras insaturés ω3 ou ω6.

Compléments

• L’acide butyrique comporte 4 carbones, l’acide palmitique 16 carbones et l’acide stéarique 18 carbones.

💡 Astuce mémo

Saturés sans double liaison, insaturés avec double liaison

📖 4. Structure et propriétés des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides aminés : Les éléments de base des protéines et portent une fonction amine et une fonction acide carboxylique reliées au même carbone α, qui porte aussi une chaîne latérale R.
• Zwitterion : Porte deux charges opposées et possède une charge globale neutre.

📝 Points essentiels

• Il existe 21 acides aminés retrouvés dans les protéines, mais le cours en comptabilise généralement 20 car la sélénocystéine appartient aux sélénoprotéines.

• La masse moléculaire moyenne d’un acide aminé est d’environ 110 Da, et un Dalton correspond approximativement à 1 g/mol.

💡 Astuce mémo

Un carbone α central portant amine, carboxyle et radical R

📖 5. Liaison peptidique et structures protéiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Une liaison amide formée entre la fonction acide carboxylique d’un acide aminé et la fonction amine de l’acide aminé suivant, avec libération d’une molécule d’eau.
• Structure primaire : L’ordre linéaire des acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, de l’acide aminé N-terminal à l’acide aminé C-terminal.
• Domaine protéique : Une région compacte d’environ 30 à 500 acides aminés, indépendante du reste de la protéine et constituant une unité spatiale et fonctionnelle.

📝 Points essentiels

• Une chaîne peptidique est conventionnellement présentée de l’extrémité amino-terminale N-ter vers l’extrémité carboxy-terminale C-ter.

📌 La structure tertiaire décrit l’assemblage des structures secondaires à l’échelle d’une chaîne polypeptidique, tandis que la structure quaternaire décrit l’association de plusieurs chaînes polypeptidiques.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 6. Enzymes et catalyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Une protéine qui catalyse une réaction chimique en accélérant ou en rendant possible cette réaction dans un organisme vivant.

★ À maîtriser

• Les enzymes possèdent un pouvoir catalytique élevé, une grande spécificité de substrat et de réaction, ainsi qu’une activité régulable selon les besoins cellulaires.

📌 Une enzyme accélère l’atteinte de l’équilibre en diminuant l’enthalpie libre d’activation, mais elle ne déplace pas l’équilibre de la réaction.

Compléments

📌 Une apoenzyme est la chaîne peptidique inactive seule, tandis qu’une holoenzyme est l’ensemble actif formé par l’apoenzyme et son cofacteur.

💡 Astuce mémo

L’enzyme accélère la cinétique, mais ne déplace pas l’équilibre

📖 7. Cinétique de Michaelis-Menten

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse initiale : La pente de la tangente à l’origine de la courbe de formation du produit en fonction du temps.

📝 Points essentiels

📌 La courbe primaire représente la concentration de produit [P] en fonction du temps, tandis que la courbe secondaire représente la vitesse initiale vi en fonction de la concentration initiale en substrat [S].

• La courbe secondaire est une hyperbole : la vitesse initiale augmente avec [S] puis atteint un plateau lorsque le substrat est saturant.

📐 Formule — À substrat saturant, la vitesse initiale maximale vérifie $V_{max}=k_2\times[E]_{tot}$.

💡 Astuce mémo

ES se forme → le produit apparaît → l’enzyme se sature

📖 8. Site actif et inhibitions

📝 Points essentiels

📌 Le site actif comprend un site de liaison qui fixe et positionne le substrat et un site catalytique qui transforme le substrat en produit.

📌 Le modèle de la clé-serrure de Fischer suppose une complémentarité préexistante entre enzyme et substrat, tandis que le modèle de l’ajustement induit de Koshland implique un remodelage du site actif lors de la fixation.

📌 Un inhibiteur compétitif se fixe sur l’enzyme libre au site de liaison du substrat et son inhibition peut être levée par un excès de substrat, tandis qu’un inhibiteur non compétitif se fixe sur un site différent et ne modifie pas l’affinité apparente pour le substrat.

📌 Un inhibiteur réversible se lie à l’enzyme par des liaisons faibles et peut être séparé par dialyse, tandis qu’un inhibiteur irréversible forme des liaisons covalentes et inactive durablement l’enzyme.

💡 Astuce mémo

Compétitif sur le site du substrat, non compétitif sur un autre site

📖 9. Génome et acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Séquence d’ADN qui code un ARN fonctionnel et permet la transcription ainsi que la transmission d’informations héréditaires.
• Nucléotide : Constitué d’une base azotée, d’un ose et d’un phosphate.

📝 Points essentiels

• Le génome est présent dans sa totalité dans chaque cellule ; 40 % du génome est transcrit en ARN, mais seulement 2 % correspond à des régions codantes pour des protéines.

📌 L’ADN contient les bases A, T, C et G et du désoxyribose, tandis que l’ARN contient les bases A, U, C et G et du ribose.

📌 Le génotype est l’ensemble des gènes d’un individu, tandis que le phénotype est l’ensemble de ses caractéristiques physiques et biologiques exprimées.

💡 Astuce mémo

ADN stable et informatif, ARN instable et régulateur

📖 10. Structure de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Formé d’une base azotée liée à un ose par une liaison N-osidique entre le C1 du pentose et un azote de la base.

📝 Points essentiels

• Les bases pyrimidiques sont:

  • la cytosine
  • la thymine
  • l’uracile

• La guanine et la cytosine s’associent par 3 liaisons hydrogène, tandis que l’adénine s’associe à la thymine ou à l’uracile par 2 liaisons hydrogène.

• Les acides nucléiques sont lus de l’extrémité 5’ phosphate vers l’extrémité 3’ hydroxyle libre, et leurs nucléotides sont reliés par des ponts phosphodiesters.

• L’ADN est une double hélice droite composée de deux brins complémentaires et antiparallèles, avec un squelette ose-phosphate externe et des bases internes.

💡 Astuce mémo

Une échelle hélicoïdale : sucres-phosphates à l’extérieur, bases au centre

📖 11. Transcription et maturation

★ À maîtriser

• 🔄 La transcription comprend quatre étapes:

  1. initiation
  2. élongation
  3. maturation
  4. terminaison

• Lors de l’initiation, des facteurs de transcription se fixent sur le promoteur, notamment la TATA box ou les îlots CpG, recrutent l’ARN polymérase II et permettent l’ouverture de la chromatine.

📌 L’ARN polymérase II synthétise l’ARN dans le sens 5’-3’ en lisant le brin matrice, ou brin anti-sens, dans le sens 3’-5’.

• 🔄 La maturation comprend:

  1. l’ajout de la coiffe en 5’
  2. l’excision des introns
  3. l’épissage des exons

• Lorsque l’ARN polymérase II atteint la séquence 3’-TTATTT-5’, une endonucléase clive l’ARN puis la poly A polymérase ajoute une queue poly A en 3’, à laquelle se fixent des protéines PABP.

Compléments

• L’ARN polymérase I produit principalement des ARNr, l’ARN polymérase II produit les ARNm et l’ARN polymérase III produit des ARNr, des ARNt et des miARN.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → maturation → terminaison

📖 12. Traduction de l’ARNm

🔑 Notions clés & Définitions

• Traduction : Mécanisme de synthèse d’une protéine à partir d’un ARNm dans les ribosomes du cytosol.

📝 Points essentiels

📌 Le code génétique lit trois nucléotides par codon, et chaque codon détermine un seul acide aminé ou un signal STOP.

• Avec quatre bases et trois positions par codon, le code génétique offre $4^3=64$ possibilités pour 20 acides aminés ; il est donc dégénéré mais spécifique.

• Les codons essentiels sont:

  • AUG : codon START codant la méthionine
  • UAA : codon STOP
  • UAG : codon STOP
  • UGA : codon STOP

• Le ribosome possède une petite sous-unité 40S et une grande sous-unité 60S, formées d’ARNr et de protéines.

• Pendant l’élongation, le site A accueille l’ARNt chargé, le site P porte l’ARNt lié à la chaîne polypeptidique et le site E permet la sortie de l’ARNt déchargé.

💡 Astuce mémo

A-P-E : accueillir, porter, expulser l’ARNt

📖 13. Erreurs et réparation

★ À maîtriser

📌 Une mutation somatique n’est généralement pas transmissible à la génération suivante, tandis qu’une mutation germinale peut l’être.

• Une insertion ajoute un ou plusieurs nucléotides, une délétion en supprime un ou plusieurs, et un mésappariement modifie une base.

📌 Une mutation silencieuse conserve le même acide aminé, une mutation faux sens remplace l’acide aminé, et une mutation non-sens crée un codon STOP prématuré.

• Le MMR répare principalement les mésappariements de réplication par reconnaissance, recrutement d’une endonucléase, resynthèse puis ligation.

📌 Le NER excise notamment les dimères de thymines, tandis que le BER répare notamment les désaminations et les lésions d’un seul nucléotide.

Compléments

📌 Une transition remplace une purine par une purine ou une pyrimidine par une pyrimidine, tandis qu’une transversion remplace une purine par une pyrimidine ou inversement.

💡 Astuce mémo

MMR, NER, BER : mésappariement, nucléotide, base

📖 14. Hybridation et électrophorèse

🔑 Notions clés & Définitions

• Hybridation : Permet à deux acides nucléiques simple brin complémentaires de s’apparier grâce à la complémentarité des bases afin de repérer une séquence cible connue.

★ À maîtriser

• Une sonde simple brin marquée par radioactivité ou fluorescence s’hybride à une séquence cible simple brin complémentaire ; dans un tissu, cette méthode peut être réalisée in situ par FISH.

• La dénaturation peut être provoquée par:

  • la chaleur
  • un pH acide
  • l’urée
  • le formamide

• L’électrophorèse sur gel d’agarose sépare les fragments d’ADN selon leur taille sous l’effet d’un courant ; l’ADN négatif migre vers l’anode et les petits fragments vont plus loin.

Compléments

📌 Un homoduplex est formé de deux brins totalement complémentaires, tandis qu’un hétéroduplex contient des mésappariements entre les deux brins.

💡 Astuce mémo

Hybridation spécifique avec sonde, bromure d’éthidium non spécifique

📖 15. Southern, Northern et PCR

🔑 Notions clés & Définitions

• Southern blot : Détecte spécifiquement des séquences d’ADN génomique et permet une analyse qualitative de leur taille ainsi qu’une comparaison semi-quantitative des quantités.
• Northern blot : Détecte des ARN spécifiques dans un mélange et analyse leur taille, leur nature, leurs anomalies d’épissage et leur quantité relative.
• PCR : Amplifie spécifiquement une séquence d’ADN grâce à une matrice, deux amorces, une ADN polymérase et des nucléotides.

★ À maîtriser

• 🔄 Un cycle de PCR comprend:
  1. dénaturation à 95 °C
  2. hybridation des amorces à 50–60 °C
  3. extension par l’ADN polymérase à 72 °C

📐 Formule — À chaque cycle, le nombre de fragments est multiplié par 2 ; le nombre total de fragments vérifie $N=N_0\times 2^n$, où n est le nombre de cycles.

Compléments

• 🔄 Le Southern blot suit les étapes suivantes:
  1. isolement et digestion enzymatique
  2. électrophorèse sur gel
  3. dénaturation
  4. transfert sur membrane
  5. hybridation avec une sonde
  6. révélation

📌 Contrairement au Southern blot, le Northern blot ne comporte pas de digestion enzymatique et utilise une électrophorèse en conditions dénaturantes.

💡 Astuce mémo

Southern ADN → Northern ARN → PCR amplification

📖 16. PCR-RFLP et Sanger

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme de restriction : Reconnaît une séquence spécifique, souvent palindromique, appelée site de restriction, et clive l’ADN à ce niveau.
• Séquençage de Sanger : Détermine la séquence d’ADN grâce à l’incorporation de ddNTP fluorescents qui arrêtent la synthèse lorsqu’ils sont incorporés.

★ À maîtriser

• En RT-PCR, une transcriptase inverse transforme d’abord l’ARN en ADN complémentaire, puis cet ADNc sert de matrice pour une PCR classique.

• La PCR-RFLP amplifie une séquence, la digère avec une enzyme reconnaissant un seul des deux allèles, puis sépare les fragments par électrophorèse pour identifier l’allèle présent.

📌 Une mutation abolit un site de restriction si elle empêche la coupure de l’allèle muté, tandis qu’elle crée un site si elle permet sa coupure.

• Le ddNTP possède un oxygène en moins en position 3’, ce qui empêche l’ADN polymérase de lui ajouter un nucléotide suivant.

Compléments

📌 Un chromatogramme présentant deux ddNTP différents à une même position indique une mutation hétérozygote, tandis que deux ddNTP identiques différents de la référence indiquent une mutation homozygote.

💡 Astuce mémo

Mutation dans un site → coupure modifiée ; ddNTP incorporé → arrêt de synthèse

📊 Tableaux de synthèse

Niveaux de structure des protéines

Méthodes d’analyse des acides nucléiques