Acides nucléiques : ADN et ARN

Les nucléotides : unités de base des acides nucléiques

Un nucléotide est composé de trois éléments : 1. Une base azotée (purique ou pyrimidique) 2. Un sucre pentose (ribose pour l'ARN, 2'-désoxyribose pour l'ADN) 3. Un ou plusieurs groupements phosphate (1, 2 ou 3)

La liaison entre la base et le sucre est une liaison N-glycosidique★ (entre l'azote N9 des purines ou N1 des pyrimidines et le carbone C1' du sucre, avec perte d'eau). Le composé base + sucre seul (sans phosphate) est un nucléoside.

Les nucléotides s'assemblent en chaîne par des liaisons phosphodiester : le groupement 3'-OH d'un sucre est lié au groupement phosphate 5' du nucléotide suivant. La chaîne a donc une polarité 5'→3'★★ (extrémité 5' libre : phosphate ; extrémité 3' libre : hydroxyle).

Les bases azotées★★★

### Bases puriques (bicycliques — 2 cycles fusionnés) - Adénine (A) : présente dans ADN et ARN - Guanine (G) : présente dans ADN et ARN

Moyen mnémotechnique : PUR → les PURines sont PURe (2 syllabes = 2 cycles).

### Bases pyrimidiques (monocycliques — 1 cycle à 6 chaînons) - Cytosine (C) : présente dans ADN et ARN - Thymine (T) : présente uniquement dans l'ADN★★★ (méthyl en C5) - Uracile (U) : présente uniquement dans l'ARN★★★ (remplace la thymine, sans méthyl)

Règle de mémorisation★ : La thymine contient un groupement méthyle supplémentaire par rapport à l'uracile — cette méthylation de l'ADN représente un coût énergétique mais protège l'ADN en permettant de distinguer les lésions de désamination (C → U) des U normaux dans l'ARN, facilitant la réparation.

### Le désoxyribose vs ribose★★

L'ADN utilise le 2'-désoxyribose : absence de groupement –OH en position 2' du sucre (remplacé par –H). Cette différence est mineure structuralement mais fondamentale : l'ARN est hydrolysable en milieu alcalin (le 2'-OH attaque le phosphate adjacent par cyclisation → rupture de la chaîne), tandis que l'ADN est stable★★ dans les mêmes conditions. La stabilité de l'ADN est adaptée à son rôle de support permanent de l'information génétique.

Structure de la double hélice d'ADN★★★

### Modèle de Watson et Crick (1953)

James Watson et Francis Crick ont proposé en 1953, en s'appuyant sur les données de diffraction aux rayons X de Rosalind Franklin et Maurice Wilkins, la structure en double hélice de l'ADN.

### Caractéristiques de la double hélice B (forme la plus commune)

Deux brins antiparallèles★★★ : les deux chaînes poly-nucléotidiques sont orientées en sens opposés. Un brin va de 5'→3' et son brin complémentaire va de 3'→5' dans la même direction de lecture. L'antiparallelisme est indispensable à la complémentarité des bases.

Appariements de bases Watson-Crick★★★ : - A = T : 2 liaisons hydrogène★★★ (adénine–thymine) - G ≡ C : 3 liaisons hydrogène★★★ (guanine–cytosine)

Règle de Chargaff★★ : dans tout ADN double brin, [A] = [T] et [G] = [C], donc A/T = 1 et G/C = 1. Par conséquent, (A+G) = (C+T) : le nombre de purines égale le nombre de pyrimidines.

Géométrie de la double hélice B : - Hélice droite (sens antihoraire vu de dessus) - Pas de l'hélice : 3,4 nm (34 Å)★ - 10 paires de bases par tour★ - Distance entre paires de bases adjacentes : 0,34 nm (3,4 Å)★ - Diamètre de l'hélice : ~2 nm - Grand sillon (major groove) et petit sillon (minor groove) — accessibles aux protéines de liaison à l'ADN

Stabilisation de la double hélice : liaisons hydrogène entre paires de bases + interactions d'empilement (stacking)★ entre bases planaires superposées (forces de Van der Waals et interactions hydrophobes entre les cycles aromatiques). Le stacking contribue autant, voire plus, que les liaisons H à la stabilité globale de la double hélice.

### Autres formes d'hélice

- Hélice A : plus compacte, 11 pb/tour, sens droit. Forme par déshydratation de l'ADN-B ou adoptée par les hybrides ARN-ADN et les ARN double brin. - Hélice Z : sens gauche (zigzag du squelette sucre-phosphate), 12 pb/tour. Favorisée par des séquences GC alternantes et des conditions ioniques élevées. Rôle possible dans la régulation de la transcription.

Dénaturation et température de fusion (Tm)★★

La dénaturation de l'ADN est la séparation des deux brins (passage double brin → simple brin) par rupture des liaisons H entre bases. Elle peut être provoquée par : - Chaleur (dénaturation thermique) : à la Tm, 50% de l'ADN est simple brin - pH extrêmes - Agents chaotropiques (urée, formamide)

Température de fusion Tm★★ : température à laquelle 50% de l'ADN est dénaturé (suivi par l'augmentation d'absorbance à 260 nm — effet hyperchrome★).

Relation Tm et composition en bases★★★ : Tm augmente avec le pourcentage en (G+C)★★★. La paire G≡C (3 liaisons H) est plus stable que A=T (2 liaisons H) → plus un ADN est riche en G+C, plus sa Tm est élevée. Formule approchée : Tm ≈ 69,3 + 0,41 × (%GC) pour un ADN long en tampon standard.

Hybridation : après dénaturation, deux brins complémentaires peuvent se réapparier (renaturation ou hybridation). C'est la base des techniques de biologie moléculaire (PCR, Southern blot, hybridation in situ).

Les différents ARN et leurs rôles★★

Contrairement à l'ADN, les ARN sont simple brin mais peuvent former des structures secondaires locales par des repliements intramoléculaires (tige-boucle, pseudonœud) via des appariements Watson-Crick internes.

### ARN messager (ARNm)★★ - Intermédiaire entre l'ADN et la protéine - Chez les eucaryotes : transcrit primaire (pré-ARNm) → maturation (coiffe 5', queue poly-A 3', épissage des introns) → ARNm mature exporté dans le cytoplasme - Traduit au niveau des ribosomes (triplets de bases = codons) - Coiffe m7G (7-méthylguanosine)★ en 5' : protection contre les exonucléases, reconnaissance par le ribosome - Queue poly-A★ en 3' : ~200 A, stabilité et traduction

### ARN ribosomique (ARNr)★★ - Composant structural et catalytique des ribosomes - Ribosome procaryote 70S : sous-unité 30S (ARNr 16S) + sous-unité 50S (ARNr 23S + 5S) - Ribosome eucaryote 80S : sous-unité 40S (ARNr 18S) + sous-unité 60S (ARNr 28S + 5,8S + 5S) - L'ARNr 23S (procaryotes) / 28S (eucaryotes) est un ribozyme★ : il catalyse la formation de la liaison peptidique

### ARN de transfert (ARNt)★★★ - Adaptateur entre le codon (ARNm) et l'acide aminé - Structure en feuille de trèfle★★★ (représentation 2D) et en forme de L (représentation 3D) - Anticodon★★★ : triplet de bases en boucle, complémentaire du codon de l'ARNm (appariement antiparallèle) - Extrémité 3'-CCA : site d'attachement de l'acide aminé (liaison ester entre le –OH 3' et le carboxyle de l'AA, catalysée par l'aminoacyl-ARNt synthétase) - Bases modifiées : inosine (I) à la position wobble de l'anticodon permet la reconnaissance de plusieurs codons (dégénérescence du code génétique)

### ARN non codants - ARN petit nucléaire (ARNsn) : épissage des introns (spliceosome) - miARN / siARN : régulation post-transcriptionnelle (ARN interférence) - ARN long non codant (lncARN) : régulation épigénétique, organisation chromatine

Le dogme central de la biologie moléculaire★★★

ADN → ARN → Protéine

Proposé par Francis Crick (1958), le dogme central décrit le flux unidirectionnel de l'information génétique dans les conditions normales.

### Réplication : ADN → ADN

Semi-conservative★★★ : chaque brin parental sert de matrice pour la synthèse d'un nouveau brin complémentaire. Chaque molécule fille contient un brin parental et un brin néosynthétisé (démontré par l'expérience de Meselson-Stahl, 1958).

Enzymes clés★★ : - ADN hélicase : déroule la double hélice, brise les liaisons H (consomme ATP) - ADN primase : synthétise les amorces ARN courtes (nécessaires car l'ADN pol ne peut pas initier de novo) - ADN polymérase III (procaryotes) / ADN pol δ et ε (eucaryotes)★★ : synthèse du nouveau brin 5'→3', activité 3'→5' exonucléasique (correction d'épreuve), nécessite une amorce - ADN polymérase I (procaryotes) : remplacement des amorces ARN par de l'ADN - ADN ligase : joint les fragments d'Okazaki (brin retardé) — réaction ATP-dépendante - Topoisomérases : éliminent les supertours en amont de la fourche (Top I : coupure simple brin ; Top II : coupure double brin, ATP-dépendante) - SSB (single-strand binding proteins) : stabilisent les brins séparés

Brin avancé (leading strand) : synthèse continue dans le sens 5'→3' en suivant l'hélicase. Brin retardé (lagging strand) : synthèse discontinue en fragments d'Okazaki★ (100-200 nt chez les eucaryotes, 1000-2000 nt chez les procaryotes), puis ligation.

### Transcription : ADN → ARN

L'ARN polymérase★★ (ARN pol) synthétise l'ARN complémentaire du brin matrice dans le sens 5'→3'. Elle n'a pas besoin d'amorce (contrairement à l'ADN pol). Elle utilise des ribonucléotides 5'-triphosphate (NTPs).

Chez les procaryotes : une seule ARN polymérase (holo-enzyme : facteur σ + core enzyme). Le facteur σ (sigma)★ reconnaît le promoteur (boîtes –10 et –35 chez E. coli).

Chez les eucaryotes : 3 ARN polymérases nucléaires : - ARN pol I : ARNr (sauf 5S) - ARN pol II★★ : ARNm + ARN non codants. Cible des inhibiteurs médicamenteux (α-amanitine) - ARN pol III : ARNt, ARNr 5S, ARNsn

Maturation des ARNm eucaryotes (processing)★★ : 1. Coiffe 5' (cap m7G)★★ : ajout co-transcriptionnel d'un 7-méthylguanosine en 5' (liaison 5'-5' triphosphate inhabituelle) 2. Clivage et polyadénylation 3' : signal AAUAAA → clivage → ajout de ~200 A (poly-A polymérase) 3. Épissage (splicing)★★ : élimination des introns par le spliceosome (complexe ARNsn + protéines) → jonction des exons

### Traduction : ARNm → Protéine

La traduction se déroule au niveau des ribosomes (70S chez les procaryotes, 80S chez les eucaryotes).

Le code génétique★★★ : - Triplets de bases (codons) : 4³ = 64 codons possibles pour 20 acides aminés → code dégénéré★ (plusieurs codons pour un même AA) - Codon initiateur : AUG★★★ (méthionine chez les eucaryotes, formyl-méthionine chez les procaryotes) - 3 codons stop★★ : UAA, UAG, UGA (ne codent aucun AA) - Code universel (avec quelques exceptions mitochondriales) - Non chevauchant, sans ponctuation (lu en triplets continus)

Phases de la traduction : 1. Initiation★ : assemblage du complexe d'initiation (ribosome + ARNm + ARNt initiateur chargé de Met) au codon AUG. Nécessite des facteurs d'initiation (IF/eIF) et de l'énergie (GTP). 2. Élongation : reconnaissance codon-anticodon → formation liaison peptidique (ARNr catalyse) → translocation. Consomme 2 GTP par acide aminé ajouté. 3. Terminaison : codon stop → facteurs de libération (RF) → dissociation du ribosome → polypeptide libéré.

Sites ribosomaux★★ : A (aminoacyl — entrée du nouvel ARNt), P (peptidyl — ARNt portant la chaîne en cours), E (exit — ARNt déchargé qui sort).

Organisation du génome

Génome procaryote : ADN circulaire, double brin, dans le nucléoïde (pas de membrane nucléaire), associé à des protéines HU et H-NS. Superenroulé négativement par les topoisomérases (gyrase). Souvent accompagné de plasmides★ (ADN circulaire extrachromosomique, porteurs de gènes de résistance aux antibiotiques).

Génome eucaryote : ADN linéaire, condensé avec des histones★ (H2A, H2B, H3, H4 + H1) en nucléosomes★★ (147 pb d'ADN enroulés autour d'un octamère d'histones = unité de base de la chromatine). La chromatine s'organise en filaments de 30 nm (solénoïde), puis en boucles, domaines topologiques et chromosomes lors de la mitose.

Modifications des histones et épigénétique : - Acétylation des histones (lysines) → relaxe la chromatine (euchromatine) → activation transcriptionnelle - Méthylation des histones : effet variable (H3K4me3 = activation ; H3K9me3 = répression) - Méthylation de l'ADN : méthylation des cytosines en CpG → répression transcriptionnelle (hétérochromatine, imprinting génomique, inactivation du chromosome X)