Fiche de révision : Structure et métabolisme des acides nucléiques

📋 Plan du Cours

1. Bases puriques et pyrimidiques
2. Oses nucléiques
3. Nucléosides et nucléotides
4. Polymère et appariement de l’ADN
5. Structure tridimensionnelle de l’ADN
6. Topologie et compaction de l’ADN
7. Chromatine et chromosomes humains
8. ADN mitochondrial
9. Structure générale des ARN
10. Génome mitochondrial et maladies
11. ARN messagers et traduction
12. ARN ribosomiques et de transfert
13. ARN régulateurs non codants
14. Autres ARN non codants
15. Biosynthèse des nucléotides
16. Catabolisme des nucléotides

📖 1. Bases puriques et pyrimidiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Hétéroside formé d’un ose, le ribose dans l’ARN ou le 2-désoxyribose dans l’ADN, et d’une base azotée reliés par une liaison N-glycosidique.
• Nucléotide : Résulte de l’estérification de la fonction alcool d’un nucléoside par une molécule d’acide phosphorique.
• Îlot CpG : Région d’ADN contenant une cytosine et une guanine adjacentes, reliées par un phosphate, souvent située dans le promoteur d’un gène.

★ À maîtriser

📌 Les bases puriques possèdent deux cycles, tandis que les bases pyrimidiques ne possèdent qu’un seul cycle.

• Les cinq bases majeures sont:
  • l’adénine
  • la guanine
  • la cytosine
  • la thymine
  • l’uracile

📌 La méthylation des îlots CpG rend le promoteur silencieux et réprime le gène, tandis que leur absence de méthylation maintient le promoteur actif et permet l’expression du gène.

📌 Dans l’ADN, l’adénine s’apparie à la thymine par deux liaisons hydrogène et la guanine s’apparie à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

• Une forme tautomère rare peut conduire l’ADN polymérase à incorporer une base incorrecte, puis le retour à la forme habituelle crée un mésappariement lors de la réplication suivante.

📌 Une transition remplace une base par une autre base du même groupe, tandis qu’une transversion remplace une base par une base d’un groupe différent.

• La désamination hydrolytique transforme:
  • l’adénine en hypoxanthine
  • la guanine en xanthine
  • la cytosine en uracile
  • la thymine ne subit pas de désamination

📌 La désamination hydrolytique de la 5-méthylcytosine produit de la thymine et peut transformer un appariement CG en TA lors de la génération suivante en l’absence de réparation.

Compléments

• Le 5-fluorouracile est un analogue fonctionnel de la thymine qui inhibe la thymidylate synthase et est utilisé en chimiothérapie, notamment contre le cancer du côlon.

💡 Astuce mémo

Purine = gros noyau à deux cycles ; pyrimidine = petit noyau à un cycle

📖 2. Oses nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ribose : Pentose présent dans l’ARN, tandis que le β-D-2′-désoxyribose est le pentose présent dans l’ADN.

📝 Points essentiels

📌 L’absence du groupement OH en 2′ du désoxyribose diminue d’un facteur 100 le risque d’hydrolyse de l’ADN et augmente sa stabilité.

💡 Astuce mémo

Ribose avec OH en 2′ ; désoxyribose sans OH en 2′

📖 3. Nucléosides et nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Molécule formée d’une base, d’un ose et d’un acide phosphorique, constituant l’unité monomérique des acides nucléiques.

★ À maîtriser

• La liaison N-β-osidique relie l’azote 9 d’une base purique ou l’azote 1 d’une base pyrimidique au groupement β-OH du pentose en C1′.

📌 Les nucléosides puriques portent le suffixe -osine, tandis que les nucléosides pyrimidiques portent le suffixe -idine.

• L’AZT est un analogue de la désoxythymidine qui entre en compétition avec les nucléosides naturels au niveau de la transcriptase inverse virale et bloque la réplication des rétrovirus.

Compléments

📌 La conformation anti, où la base et le désoxyribose sont décalés, est moins encombrée et plus stable que la conformation syn.

• La désamination hydrolytique de l’adénosine par l’adénosine désaminase produit l’inosine, surtout présente dans la première position de l’anticodon des ARNt.

• Les nucléotides et leurs dérivés servent notamment au transport de l’énergie, du glucose, de la choline et d’acides aminés, ainsi qu’à la transmission des signaux hormonaux via l’AMPc et le GMPc.

📌 Les nucléosides monophosphates, diphosphates et triphosphates sont notés respectivement XMP, XDP et XTP, et les nucléosides di- et triphosphates possèdent une liaison anhydride riche en énergie entre leurs phosphates.

💡 Astuce mémo

Base + ose = nucléoside ; nucléoside + phosphate = nucléotide

📖 4. Polymère et appariement de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• ADN nucléaire : Polymère bicaténaire non circulaire, orienté de 5′ vers 3′, chargé négativement et constitué de 46 molécules en phases G0 et G1.

📝 Points essentiels

• La croissance d’un brin d’ADN se fait par condensation du 3′OH terminal avec le 5′-phosphate d’un nucléoside triphosphate, grâce à l’énergie libérée par la rupture d’une liaison riche en énergie et avec libération de pyrophosphate.

📌 Dans l’ADN, le brin sens est orienté 5′→3′ et non transcrit, tandis que le brin antisens est orienté 3′→5′ et sert de matrice à la transcription.

💡 Astuce mémo

5′ → 3′ : ajout au 3′OH, liaison phosphodiester, libération de PPi

📖 5. Structure tridimensionnelle de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• ADN-B : Conformation principale de l’ADN humain in vivo, formée de deux brins antiparallèles et complémentaires enroulés en double hélice à pas droit.

★ À maîtriser

• Dans l’ADN-B, la double hélice contient environ 10 paires de bases par tour, un pas d’hélice de 3,4 nm et un diamètre de 2 nm.

📌 Les règles de Chargaff imposent dans un ADN bicaténaire les rapports A/T = 1 et G/C = 1, ainsi que la somme des purines égale à la somme des pyrimidines.

• La dénaturation de l’ADN survient entre 90 et 95 °C lorsque les deux brins se séparent, tandis qu’une baisse progressive de la température permet leur renaturation.

Compléments

📌 L’ADN-A possède un pas à droite et une conformation courte et ramassée, tandis que l’ADN-Z possède un pas à gauche, une forme en zigzag et une conformation moins stable.

💡 Astuce mémo

ADN-B : pas à droite ; ADN-Z : pas à gauche

📖 6. Topologie et compaction de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : Formé d’environ 150 paires de bases d’ADN enroulées autour d’un octamère d’histones composé de deux H3-H4 et de deux dimères H2A-H2B.
• Épigénétique : Regroupe les mécanismes réversibles, transmissibles et adaptatifs qui modifient l’expression des gènes sans changer leur séquence nucléotidique.

📝 Points essentiels

• La topoisomérase 1 coupe un seul brin sans consommer d’énergie, tandis que la topoisomérase 2 coupe les deux brins et utilise de l’ATP.

• Le surenroulement négatif rend l’ADN moins enroulé et plus accessible aux enzymes de la réplication et de la transcription, tandis que le surenroulement positif est la forme la plus enroulée.

• L’acétylation des histones rend la chromatine plus accessible et favorise la transcription, tandis que la désacétylation la rend moins accessible.

💡 Astuce mémo

Acétylation des histones → chromatine ouverte → transcription favorisée

📖 7. Chromatine et chromosomes humains

📝 Points essentiels

📌 L’euchromatine est peu condensée, riche en gènes exprimés, répliquée précocement et associée à une hyperacétylation et une hypométhylation, tandis que l’hétérochromatine est condensée, peu exprimée, répliquée tardivement et associée à une hypoacétylation et une hyperméthylation.

📌 L’hétérochromatine facultative est réversiblement inactive selon le développement et la différenciation, tandis que l’hétérochromatine constitutive reste condensée et comprend notamment des séquences répétées proches des télomères et des centromères.

• Un noyau humain haploïde contient 3,2 Gpb réparties sur 23 chromosomes, soit 22 autosomes et un gonosome, pour une longueur totale d’environ 1 mètre.

💡 Astuce mémo

Euchromatine ouverte et active ; hétérochromatine condensée et inactive

📖 8. ADN mitochondrial

★ À maîtriser

• L’ADN mitochondrial humain est un ADN double brin circulaire de 16 569 paires de bases, transmis uniquement par la mère et présent à environ 1 000 à 10 000 copies par cellule.

📌 L’ADN mitochondrial ne possède pas d’histones, représente moins de 1 % de l’ADN cellulaire total et présente un taux de mutation dix fois supérieur à celui de l’ADN nucléaire.

• Le génome mitochondrial contient 37 gènes, dont 24 ARN non codants comprenant 22 ARNt et 2 ARNr, ainsi que 13 ARNm codant des protéines de la chaîne respiratoire.

📌 L’hétéroplasmie correspond à la coexistence d’ADN mitochondrial normal et muté, tandis que l’homoplasmie correspond à la présence exclusive d’ADN mitochondrial muté.

Compléments

• Les séquences codantes occupent 93 % du génome mitochondrial, tandis que la boucle D représente 7 % et contient l’origine de réplication.

💡 Astuce mémo

MELAS et MERFF : maladies mitochondriales transmises par la mère

📖 9. Structure générale des ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• ARN : produits par transcription à partir de l’ADN dans le sens 5’P→3’OH et généralement plus courts que l’ADN

★ À maîtriser

• Les ARN sont produits par transcription à partir de l’ADN dans le sens 5′P vers 3′OH et sont toujours plus courts que l’ADN.

• Dans l’ARN, l’uracile remplace la thymine car sa synthèse coûte moins d’énergie et l’ARN, présent en plusieurs milliers de copies, exige moins de stabilité que l’ADN.

📌 L’ARN possède des riboses et peut donc être clivé par les bases fortes, tandis que le désoxyribose de l’ADN contribue à une plus grande stabilité de la double hélice.

Compléments

• Les ARN sont le plus souvent monocaténaires, mais certains adoptent une structure en épingle à cheveux ou s’associent à d’autres ARN et à des protéines.

• Les ribozymes sont des ARN possédant une activité enzymatique, notamment lors de la maturation des ARNt.

💡 Astuce mémo

ADN stable avec thymine, ARN fragile avec uracile

📖 10. Génome mitochondrial et maladies

📝 Points essentiels

• Les syndromes MELAS et MERFF sont des myopathies mitochondriales transmises selon le mode mitochondrial, c’est-à-dire par la mère.

• Le génome mitochondrial possède un brin H lourd, riche en G et situé à l’extérieur, ainsi qu’un brin L léger, riche en C et situé à l’intérieur.

• La boucle D représente 7 % du génome mitochondrial et contient l’origine de réplication, tandis que 93 % du génome correspond à des séquences transcrites.

📌 L’hétéroplasmie correspond à la présence simultanée d’ADN mitochondrial normal et muté, tandis que l’homoplasmie correspond à la présence uniquement d’ADN mitochondrial muté.

💡 Astuce mémo

H lourd riche en G à l’extérieur, L léger riche en C à l’intérieur

📖 11. ARN messagers et traduction

📝 Points essentiels

• Les ARNm représentent environ 2 % des ARN totaux et transportent l’information génétique du noyau vers les ribosomes cytoplasmiques.

• La maturation d’un ARNm comprend la transcription d’un pré-ARNm contenant introns et exons, l’épissage éliminant les introns, puis l’export du messager mature composé d’exons.

• La coiffe 5’ est constituée d’une 7-méthylguanosine triphosphate et protège l’ARNm, favorise son export nucléaire et recrute les ribosomes dans le cytoplasme.

📐 Formule — Le code génétique comporte $4^3 = 64$ codons, dont 61 codent 20 acides aminés et 3 sont des codons STOP : UAA, UAG et UGA.

• La queue poly-A ajoutée en 3’ contient 100 à 200 nucléotides adényliques et contribue à la stabilisation, à la protection et au transport de l’ARNm.

💡 Astuce mémo

Coiffe 5′ → UTR → codons → UTR 3′ → queue poly-A

📖 12. ARN ribosomiques et de transfert

🔑 Notions clés & Définitions

• ARNt : ARN qui transportent les acides aminés du cytoplasme vers les ribosomes et associent chaque acide aminé à son codon grâce à leur anticodon

📝 Points essentiels

• Les ARNr représentent 82 % des ARN cellulaires et constituent, avec les protéines ribosomales, les deux sous-unités des ribosomes.

• Les ribosomes eucaryotes sont 80S avec une grande sous-unité 60S et une petite sous-unité 40S, tandis que les ribosomes procaryotes sont 70S avec des sous-unités 50S et 30S.

• Un ARNt contient 75 à 85 ribonucléotides, possède une structure en trèfle et fixe son acide aminé à l’extrémité 3’CCA.

• L’aminoacylation active d’abord l’acide aminé avec l’ATP en aminoacyl-AMP, puis transfère l’acide aminé activé sur le ribose terminal de l’ARNt pour former l’aminoacyl-ARNt.

💡 Astuce mémo

ARNr construit le ribosome, ARNt apporte l’acide aminé

📖 13. ARN régulateurs non codants

★ À maîtriser

📌 Les miARN sont des ARN simple brin d’origine endogène pouvant avoir plusieurs cibles, tandis que les siARN sont des ARN double brin d’origine exogène ciblant une séquence spécifique.

• Les miARN mesurent 18 à 24 nucléotides, représentent moins de 1 ‰ des ARN et régulent l’expression de près de 60 % des gènes humains.

• La synthèse des miARN comprend la transcription d’un pri-miARN, son clivage en pré-miARN, son export cytoplasmique, puis l’action de DICER et l’association au complexe RISC.

📌 Une complémentarité imparfaite entre un miARN et un ARNm réprime généralement la traduction, tandis qu’une complémentarité parfaite entraîne le clivage et la dégradation de l’ARNm.

Compléments

• Les nucléotides 2 à 7 en 5’ du miARN forment la séquence seed, qui se lie à la région 3’UTR de l’ARNm et participe à sa répression ou à son clivage.

💡 Astuce mémo

Complémentarité miARN-ARNm → répression ou dégradation de l’ARNm

📖 14. Autres ARN non codants

🔑 Notions clés & Définitions

• lncARN : de longs ARN non codants mesurant 200 à 10 000 nucléotides et participant à la régulation de l’expression génétique

★ À maîtriser

• Les snARN, associés à des protéines dans les snRNP U1 à U7, participent principalement à l’épissage et à la maturation de certains ARN.

• Les snoARN guident la modification des ARN dans le nucléole : les snoARN C/D permettent la 2-O-méthylation et les snoARN H/ACA la pseudouridylation.

• Le lncARN Xist recouvre le chromosome X et recrute le complexe répresseur Polycomb2, ce qui contribue à l’inactivation d’un des chromosomes X chez les mammifères femelles.

Compléments

• Les cinq classes de lncARN sont:
  • Sens
  • Antisens
  • Introniques
  • Divergents
  • Intergéniques

📖 15. Biosynthèse des nucléotides

📝 Points essentiels

📌 La synthèse de novo produit les nucléotides à partir de précurseurs en consommant beaucoup d’énergie, tandis que la synthèse de récupération réutilise des bases ou nucléotides issus de l’alimentation ou du catabolisme.

• Les acides nucléiques sont d’abord synthétisés sous forme de ribonucléotides, puis réduits en désoxyribonucléotides par les ribonucléotides réductases.

💡 Astuce mémo

De novo consomme beaucoup d’énergie, récupération en économise

📖 16. Catabolisme des nucléotides

📝 Points essentiels

• Le catabolisme et le recyclage des acides nucléiques ont lieu presque exclusivement dans le foie pour les substances endogènes et dans l’intestin grêle pour les substances alimentaires.

• Dans le catabolisme purique, l’adénine et la guanine donnent respectivement l’hypoxanthine et la xanthine, puis la xanthine oxydase conduit à l’acide urique.

• À pH physiologique 7,4, l’acide urique se trouve majoritairement sous forme d’urate de sodium, qui est 20 fois plus soluble que l’acide urique.

📌 L’urate de sodium précipite à partir d’environ 410 μmol/L, tandis que l’uricémie habituelle est d’environ 360 μmol/L.

📌 L’allopurinol réduit la synthèse d’acide urique en inhibant la xanthine oxydase par l’intermédiaire de son métabolite, l’alloxanthine.

• Le catabolisme des bases pyrimidiques produit du CO2, du NH3, de la β-alanine issue de la cytosine et du β-amino-isobutyrate issu de la thymine.

💡 Astuce mémo

Purines → acide urique, pyrimidines → produits hydrosolubles

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des formes d’ADN

Répartition des ARN cellulaires