Cours IFSI Les bases du vivant structure des acides nucleiques PDF .pdf

5’
A=T
G≡C

T=A
C≡G

A=T
T=A

C≡G
C≡G

3’
5’

G≡C

5’

3’

A=T
G≡C

Les bases du vivant
Structure des acides nucléiques
Jérôme Lamoril
Laboratoire de Génétique Moléculaire
(Service du Pr B.Grandchamp)
Hôpital Bichat
75 Paris

T=A
C≡G

A=T
T=A

C≡G
C≡G

3’
5’

G≡C

3’

5’
A=T
G≡C

3’

Les bases du vivant
Structure des acides nucléiques
Plan du cours
1. Les Acides Nucléiques

5’
A=T
G≡C

2. La Structure de l'ADN
T=A
C≡G

A=T
T=A

T=A
C≡G

3. La Réplication de l'ADN
4. La Transcription

A=T
T=A

5. La maturation des ARNm
C≡G
C≡G

3’
5’

G≡C

6. La Traduction en protéine

C≡G
C≡G

7. La maturation des protéines
3’

8. La mitose et la méïose

5’

G≡C

3’

Les acides nucléiques existent sous
deux formes moléculaires:
• L’ADN: acide désoxyribonucléique
• L’ARN: acide ribonucléique
Ils constituent la base du génome

Le génome: définition
Ensemble du matériel génétique (patrimoine
héréditaire) d'un individu ou d'une espèce.
Il est constitué de molécules d'acides
nucléiques (ADN ou ARN).
Les gènes,
nes c'est-à-dire les parties d'ADN
porteuses d'une information génétique, ne
constituent qu'une partie du génome.

Le génome: définition
CHEZ LES EUCARYOTES (organisme possédant un noyau
cf être humain), on distingue :
• le génome nucléaire (du noyau)
• le génome mitochondrial (des mitochondries),
transmis par la mère.
• le génome chloroplastique (des chloroplastes), chez les plantes.

CHEZ LES VIRUS,
VIRUS le génome viral est contenu dans une
molécule d'ADN simple ou double brin ou une molécule
d'ARN.
CHEZ LES PROCARYOTES (organisme sans noyau cf.
bactérie), on distingue :
• le génome chromosomique (une molécule d'ADN
circulaire).
• le génome extra-chromosomique (plasmides,
épisomes).

Les acides nucléiques
Les ARN et l'ADN sont des chaînes
d'acides nucléiques
Ce sont en fait des polymères constitués
d'éléments de base:
les nucléotides

Les polymères d’acides nucléiques
1. Les nucléotides sont des molécules
comprenant:
- une base
- un sucre (pentose)
- un acide phosphorique
2. Les nucléosides comprennent:
- une base
- un sucre (pentose)
Pour l'ARN,
l'ARN le sucre est un ribose
Pour l'ADN,
l'ADN le sucre est un 2'-désoxyribose

Base
Phosphate
Pentose

Nucléoside
Nucléotide

Les bases des nucléotides
Les bases sont des hétérocycles aromatiques
(ne comprennent pas que des atomes
carbone dans le cycle)
Pour l'ADN, il existe 4 types de bases:
- l'Adénine (A)
Purines
- la Guanine (G)
- la Cytosine (C)
- la Thymine (T)

Pyrimidines

Les bases des nucléotides
Pour l'ARN, il existe 4 types de bases:
- l'Adénine (A)
- la Guanine (G)
- la Cytosine (C)
- l'Uracile (U)

Purines

Pyrimidines

Nomenclature
Base

Nucléoside

Nucléotide

Adénine
Guanine
Cytosine
Uracile

Adénosine
Guanosine
Cytidine
Uridine

Adénosine monophosphate (AMP)
Guanosine monophosphate (GMP)
Cytidine monophosphate (CMP)
Uridine monophosphate (UMP)

Thymine

Désoxy-Thymidine

Désoxy-thymidine monophosphate
(dTMP)

Pour l'ADN,
l'ADN on rajoute "désoxy" devant le nom du
nucléoside ou du nucléotide

5’

Schéma de l’ADN

3’
Extrémité 3’

Extrémité 5’

Base

OH

H

CH3

désoxyribose

O
N

Base

P

2 liaisons H
H

N

N

Acide phosphorique

N

N

N

H

désoxyribose

Base

Acide phosphorique
Base

N

O

Adénine (A)

Thymine (T)

désoxyribose

désoxyribose

Acide phosphorique
Base

3 liaisons H

Acide phosphorique
Base

désoxyribose
H

H

O

N

Acide phosphorique

N
H

N

Base

N
O

H

Base

N

désoxyribose
Cytosine (C)

Acide phosphorique

N

N

N

désoxyribose

H

Guanine (G)

désoxyribose

Acide phosphorique Acide phosphorique
Extrémité 3’

OH

Extrémité 5’

P

2 liaisons H
H

CH3
O
N

H

N

N

N

N

N

H

N

O

Adénine (A)

Thymine (T)

3 liaisons H
H

H

O

N

N
H

N

N

N
N

N
O

Cytosine (C)

H

N
H

Guanine (G)

Schéma de l’ADN
S

G

C

S

G
P

P

S

A

T

S

P

S

G

C

A

T

A

T

P

T

P

C

S

P

S

A

S

P

S

P

S
P

P

S

G

C

S

Le support de l’information génétique: l’ADN
(acide désoxyribonucléique)
Molécule UNIVERSELLE

L’ADN
•

Molécule en double hélice (bicaténaire)

•

Ces chaînes sont orientées par convention dans le sens 5' 3‘

•

Ces 2 chaînes sont dites "antiparallèles" (parallèles mais en
sens inverse)
3' Brin sens
5'
3'

5' Brin antisens

Le génome humain est constitué d’une molécule d’ADN longue
de 3,2 x 109 paires de bases (pb)

PS: 1 kb = 1 000 b, 1 Mb = 1 million de bases

La double hélice de CRICK et WATSON (1954)

La structure linéaire de l'ADN
5'-ATCCGTAGTGCCCTTTATGG-3'
Sens de lecture de la séquence
1.

Par convention,
convention l’ADN est lu dans le sens 5' 3' de la gauche
vers la droite et est représenté par un brin linéaire

2.

L’ADN existe naturellement sous forme double brin mais peut
aussi exister sous forme simple brin.

Base
numéro 1

5’

Exemple de séquence d’ADN

10
20
30
40
50
60
70
AGCCAAGCAT AATCTCACTG CATCGAAAAT AGAAAATGAT CATCTGATCA TTCTGGTTCA GACTGTCAGC
80
90
100
110
120
130
140
CCTGAGCAGG TGGGTCAGTT TGCATCACCT GAGTGCAGAT TGCAAGGACA ACAGTGAGGC TGCATAAAAA
150
160
170
180
190
200
210
GAACCTATGA CAGGATGCAC ATGAGAGAGA CAAATGTCTT CACATTGAAG AAGGGGAGGA GTGCGCCATT
220
230
240
250
260
270
280
GGTTTTCCAT CCTCCAGAGG CACTGAGAAA GCTCCTACAG AAACTGTGCC CCCTCCTTCT TTGAAACACT
290
300
310
320
330
340
350
TCCCATCCTT AAGCCTTGGT AGGAAGGAGA GAAATCTGGA AGCCCAGAAT CCTATGGAAT GCTGAGTCTC

3’

Base numéro 350

5’ P-

Sens de la lecture

-OH 3’

5’
A

3’
T

G
G

C
C

A

T

G

C
3’

5’

3’
OH

5’
P

OH
3’

A

T

G

C

«Squelette» :
[Désoxyribose +
acide phosphorique]N

reliés par liaisons
phosphodiesters

P
5’

Liaisons hydrogènes

Bases:
T: thymine
C: cytosine
A: adénine
G: guanine

Schéma de la double hélice d’ADN

Le génome humain a été
complètement séquencé en 2004
(Homo sapiens)

Le génome humain (août 2009 - HuRef) :
• 3,101,788,170 pb
• 33029 gènes
• 33441 ARN

Propriétés physiques de l’ADN
L'ADN a un spectre d'absorption UV maximal à 260 nm
Densité Optique

ADN dénaturé

ADN bicaténaire

240

260
280
Longueur d'onde d'excitation (nm)

Propriétés physiques de l’ADN
L'ADN a un spectre d'absorption UV maximal à 260 nm
Densité Optique
relative à 260 nm
La séparation des deux brins d’ADN s’appelle la dénaturation

1,4
1,3

50% double brin
50% simple brin

1,2
1,1
1,0

ADN
double
brin

60

ADN
Tm simple
brin

70
80
90
100
Température de chauffage (°C)

Tm: melting temperature (température de fusion)

Propriétés physiques de l’ADN
Notion de Tm (température de fusion)
• Température à laquelle l’ADN est moitié sous forme
double brin et moitié sous forme simple brin
• Fonction de nombreux paramètres
– Essentiellement le contenu en [A+T] et [G+C] de
l’ADN +++
– Contenu du milieu en sels

Propriétés physiques de l’ADN
Les deux brins d’ADN (la double hélice) peuvent:
• Se dénaturer (séparation des deux brins par rupture des
liaisons hydrogène)
• Par la chaleur (cf 95°C en quelques secondes)
• Par des moyens chimiques (cf. l’urée, la formamide)
• Se renaturer (re-appariement des brins complémentaires)
• Par la chaleur (Décroissance lente de la température
cf 95°C à 40°C en 5 minutes)

L'ADN des procaryotes(cf.Bactéries)
1.
2.
3.

Un chromosome bactérien circulaire (Il peut
être "super-enroulé« )
Il mesure de 10 kb à quelques centaines de kb
Plasmide : ADN circulaire
extra-chromosomique qui
peut par exemple, conférer
des résistances aux
antibiotiques (Taille 1-20 kb).
Sa réplication («reproduction»)
est indépendante du chromosome
bactérien.
Chromosome
circulaire

Une bactérie peut avoir plusieurs plasmides

Chromosome
Super-enroulé

L’ADN, base de la vie

Cellule
Gène

ADN

L'ADN eucaryote est compacté
1. La compaction de l'ADN se fait autour
de protéines appelées Histones
2. Il existe plusieurs types d'histones
(H1, H2A, H2B, H3, H4)
3. Le nucléosome est l'unité de base de
la compaction de l'ADN: (2 x H2A + 2
x H2B + 2 x H3 + 2 x H4) + H1

NB: la compaction constitue un « tassement » de l’ADN

Le Nucléosome
Complexe de 8 histones

110 Ǻ

Les chromosomes contiennent
l’ADN génomique

ADN

Nucléosome

L’ADN (en rouge) est
compacté dans
les chromosomes, à l’aide de
nombreuses protéines
(cf. les histones) et constitue
la chromatine
L’ADN est enroulé autour
de 6 protéines histones
et l’ensemble forme
le nucléosome

Organisation générale du génome
humain
Noyau

Télomère
Centromère

Cellule

Paire de bases

23 paires de chromosomes
• 22 paires d’autosomes
• 1 paire sexuel (XX ou XY)

Télomère

Histones

ADN

Caryotype humain normal

Le génome
mitochondrial
- Génome indépendant
- environ 16.2 kb
- Circulaire
- Absence d’introns
- Transmis par la mère

GENOME HUMAIN

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/

NOYAU DE LA CELLULE

2 copies par
cellule

Dans la mitochondrie
(nombreuses copies
dans le cytoplasme
de la cellule)
ADNmt

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

16,569 bp

Autosomes

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X
ADN nucléaire

3.2 milliards bp
CELLULE

Y

ADN
mitochondrial

Chr.sexuels

Centaines de
copies par cellule

ADN
génomique

Transcription

ARN
messager

NOYAU

Traduction
ADN
mitochondrial

Protéine(s)
« primitive(s) »

Modifications post-traductionnelles
Protéine(s)
fonctionnelle(s)

Interaction(s)
biologiques(s)

MITOCHONDRIE

Protéine(s)
fonctionnelle(s)

CYTOPLASME

Localisation cytoplasmique,
Subcellulaire ou membranaire
Interaction(s)
biologiques(s)

La réplication de l'ADN

La réplication de l'ADN
• La réplication est le mécanisme de synthèse de l'ADN
permettant de transmettre l'information génétique d'une
cellule ou d'un organisme à sa descendance.
• Ce mécanisme repose sur la complémentarité des bases.
• Chaque molécule fille d'ADN est constituée d'un brin
« mère » qui sert de matrice à un brin néosynthétisé.
• Ceci conduit à la duplication des molécules d'ADN de tout
le génome.
• Cette étape participe à la division de la cellule

La réplication de l'ADN
• La réplication est semi-conservative (un des deux brins d’origine
est conservé):
• un brin d'ADN va servir de matrice au brin néo-synthétisé
• Elle se fait toujours dans le sens 5' 3'
• Elle se fait au cours de la phase S du cycle cellulaire eucaryote
• La réplication chez les procaryotes est peu différente de celle des
eucaryotes.

La réplication de l'ADN
ADN mère

3 étapes:
• Initiation

Brin ancien

• Elongation
• Terminaison

Brin néosynthétisé
ADN fille

ADN mère
ADN fille

La réplication de l'ADN
L' Initiation
- Reconnaissance de la zone de début de réplication:
"origine" (OriC chez E. Coli)
- Fixation d'une hélicase (Protéine DnaB)
- Ouverture des 2 brins d'ADN et fixation de protéines
stabilisatrices
- Fixation d'une Primase et synthèse d'amorces ARN
L'Elongation
- Fixation d'une Polymérase
- Synthèse du brin direct
- Synthèse du brin retardé
La Terminaison
- Détachement des différentes enzymes
- Finitions

La Transcription
(de l'ADN en ARN)

La Transcription
LA TRANSCRIPTION est la synthèse d'une molécule
d'ARN complémentaire (ARN messager)
messager à partir d’une
séquence d'ADN.
• La transcription est initiée par une ARN polymérase.
• Les ARNm sont traduits tels quels chez les procaryotes.
• Chez les eucaryotes, l'ARNm subit une maturation avant
la traduction.

La Transcription
La transcription est effectuée à partir de l’ADN au niveau de
segments d’ADN du génome appelés gènes.
1. Après transcription en ARNm et maturation de celui
(phénomène d’épissage), ce dernier est transformé (« traduit »)
en protéine. On parle alors de gène codant.
2. Dans certains cas, le gène peut être transformé en ARN. Mais
ce dernier ne sera pas traduit. On parle alors d’ARN non
codant. L’ARN non codant est directement fonctionnel.

La Transcription
1. Le brin ADN matrice est le brin 3'-5‘
2. La synthèse de l'ARN se fait dans le sens 5'
3‘
3. L'ARN transcrit commence par l'extrémité 5‘
4. Cet ARN est complémentaire et antiparallèle au brin ADN
matrice 3'-5‘
5. Cet ARN est "homologue" (la base U remplace la base T)
au brin ADN 5'
3' qui est dit "brin codant"

Exemple de séquences

ADN
5' - …A T C G T T A G C… - 3' Brin codant
3' - …T A G C A A T C G… - 5' Brin matrice
ARN
5' - …A U C G U U A G C… - 3'

Brin à partir
duquel
est réalisé
la transcription

ADN génomique
Exon 1
GT

5’

Exon 2
AG

Dernier exon
3’

ATG

Codon Stop

Transcription
ARNm Cap

AAAAAAA
Queue poly(A)

Traduction

Ribosomes
ARNt-acide aminé
Protéine pré-mature

Modifications
Post-traductionnelles
Protéine mature

Le code génétique

La Traduction
(de l'ARNm en protéine)

La traduction
• La traduction est le mécanisme permettant la synthèse
d'une chaîne polypeptidique (protéine) à partir d'un brin
d'ARN messager.
• Cette synthèse de protéines se fait soit dans le cytoplasme,
soit dans le réticulum endoplasmique (RE) en présence de
ribosomes
• Les ARNm étant beaucoup plus volumineux que les acides
aminés (cent à mille fois), les ribosomes et les ARN de
transfert (ARNt) jouent les intermédiaires entre l'ARNm
et les acides aminés à polymériser (associer).
• La synthèse d'une protéine commence par son extrémité N
terminale (-NH2) ++++

La traduction
• Les ARN de transfert (ARNt) permettent l’addition des
acides aminés un par un au niveau de la protéine en cours
de synthèse pendant la traduction.
• Ils présentent une séquence de 3 nucléotides ("anticodon")
qui s'apparient de façon spécifique aux 3 nucléotides
complémentaires ("codon") situés sur l’ARNm en cours de
traduction
• L’association au sein du ribosome, de l’ARNt (avec son
acide aminé spécifique) à l’ARNm (l’anticodon est
complémentaire du codon) permet donc l’addition des
acides aminés.

La traduction
Les ribosomes
• Les ribosomes sont constitués de 2 sous-unités constituées
de protéines et d‘ARN ribosomaux (ARNr)
• Les ribosomes sont
– libres dans le cytoplasme
– ou attachés au réticulum endoplasmique