Caractéristiques des acides nucléiques

Les acides nucléiques sont de deux types, l’ADN et les ARN. L’ADN ou acide désoxyribonucléique est le support de l’information génétique. Les ARN ont soit un rôle de support de l’information afin d’être traduit en protéines (ARN messager), ou bien un rôle structurale (ARN ribosomiques, ARN de transferts et autres petits ARN).

L’ADN est situé dans le noyau mais il est également mis en évidence dans la mitochondrie, les ARN eux sont situés dans le noyau et dans le cytoplasme (également dans la mitochondrie). En effet l’ADN est transcrit en ARN dans le noyau, lui-même traduit en protéines dans le cytoplasme pour les ARN messager. L’ADN mitochondriale code pour 13 protéines, 2 ARNr et 22 ARNt ; ces 13 protéines servent toutes à la synthèse de l’ATP.

Nous avons dit précédemment que l’ADN est le support de l’information génétique, en effet il est divisé en segments d’ADN qui correspondent à des gènes (ou unités de transcription) qui eux même code pour une protéine.

I) ADN

1) Structure des acides nucléiques

Les acides nucléiques sont constitués d’acides phosphoriques, de pentoses et de bases azotés.

• L’acide phosphorique est un triacide dont une fonction acide est dissociée permettant de donner une charge négative à l’ADN, et dont les deux autres peuvent former des liaisons phosphodiester.
• Les pentoses sont des glucides cycliques à 5 atomes de carbone qui sont sous forme de β-D-ribofurane et sous forme « désoxy » pour l’ADN.
• Les bases sont des structures coplanaires présentant une résonnance grâce à leurs doubles liaisons conjuguées. Elles sont de deux types :
  • Les bases pyrimidiques : la cytosine, la thymine (ADN) et l’uracile (ARN).
  • Les bases puriques : la guanine, l’adénine et l’hypoxanthine (précurseur des bases puriques et présent au niveau des ARNt, cf. chapitre traduction de l’ADN).

L’association d’une base et d’un pentose par une liaison N-glycosidique est appelée un nucléoside. De cette manière les bases puriques rajoutent le suffixe « osine » et les bases pyrimidiques rajoutent le suffixe « idine » ; on parle ainsi d’adénosine, de guanosine, de cytidine, d’uridine et de thymidine. L’hypoxanthine est une exception et devient l’inosine. Attention la cytosine est bel et bien une base et non pas un nucléoside purique, malgré sa terminaison.

L’association d’un nucléoside et de l’acide phosphorique par une liaison phosphodiester en 5’ du pentose est appelée un nucléotide. On parle alors d’adénylate (ou AMP pour adénosine monophosphate), de guanylate (ou GMP), de thymidylate (ou TMP) et de cytidylate (ou CMP).

L’hypoxanthine est à nouveau soumise à exception, on parle de l’inosinate.

2) Structure de l’ADN

L’ADN est une molécule bicaténaire étant constituée de deux brins dirigés de manière antiparallèle et associés en doubles hélices de type B. Il est constitué d’autant de bases puriques que de bases pyrimidiques, en effet il y a autant d’adénine que de thymine, et autant de guanine que de cytosine.

Les deux brins sont liés grâce à des liaisons hydrogènes présentes entre toutes les bases de l’ADN : deux liaisons hydrogènes entre les bases A et T, et trois liaisons hydrogènes entre les bases G et C. Les forces dues à ces liaisons hydrogènes sont supérieures aux forces répulsives qu’il y a entre les charges moins présentes sur les deux brins de l’ADN.

La double hélice de l’ADN a un diamètre de 20 Å (= 20 angström = 20.10-10 mètres), un pas de 34 Å qui correspond à 10 nucléotides. L’hélice est dite droite car elle s’enroule à droite en la regardant du haut vers le bas (comme une visse s’enfoncerait dans un mur) ; entre deux paires de bases on mesure un angle de 36°. De plus la molécule d’ADN est dextrogyre, c’est-à-dire qu’elle a la propriété de faire dévier le plan de polarisation de la lumière polarisée vers la droite.

L’axe des paires de bases ne passe pas par l’axe de la double hélice : on aura donc une partie plus large, le grand sillon, et une partie plus petite, le petit sillon. Le grand sillon est soumis à des interactions diverses avec des molécules endogènes et exogènes.

Les bases sont des molécules hydrophobes et planes empilées dans la molécule d’ADN et stabilisées par des liaisons hydrophobes. Les riboses sont également des molécules planes mais à une disposition perpendiculaire.

Les di-nucléotides sont des associations de deux nucléotides sur le même brin de l’ADN et donc associé l’un à l’autre par des liaisons phosphodiester. Attention les di-nucléotides n’ont rien à voir avec des paires de bases. On pourra donner comme exemple les dimères de thymines qui sont très stables ayant des liaisons hydrophobes supplémentaires. Ces dimères sont généralement passagers, mais ils peuvent se fixer sous l’action d’UV (cf. chapitre Réparation de l’ADN). La fixation des dimères entraîne des déformations de la molécule d’ADN.

3) Propriétés de l’ADN

a) Solubilité :

L’ADN devient un sel d’acide en milieux aqueux et est ainsi soluble. Il précipite en présence d’éthanol et d’une forte concentration saline. Cette propriété permet sa purification.

b) Absorption UV :

Les nucléotides absorbent dans les UV et cette absorption dépend de l’angle d’incidence des rayons UV : l’absorption est maximale lorsque les rayons d’incidence sont perpendiculaires et minimale lorsque les rayons d’incidence sont parallèles, l’empilement des bases freinant l’accessibilité.

L’ADN absorbe moins que ne le fait des nucléotides libres en même quantité, on qualifie ce phénomène d’hypochrome.

c) Dénaturation thermique

La dénaturation thermique correspond au fait que les deux brins de l’hélice se dissocient par l’action de la chaleur.

La température de fusion ou Tm est la température à laquelle la molécule d’ADN est à moitié désappariée. Elle dépend de la longueur de la molécule d’ADN, en effet les petites molécules sont moins stables et ont donc une température de fusion plus faible. Elle dépend également de la richesse en paires de bases C-G (40% du génome humain) étant plus stable que les paires de bases A-T, ce qui augmente la température de fusion. Le Tm humain est de 86°C et la dénaturation complète est à 95°C.

La dénaturation est mesurable par la mesure du Tm, en effet la dénaturation augmente l’absorption des rayons UV, ceci est appelé un effet hyperchrome. La température de fusion est représentée sous la forme d’une courbe sigmoïde qui traduit l’effet coopératif de la dissociation de l’ADN : le début de la dissociation favorise la dissociation du reste de l’ADN. Le Tm est mesuré au niveau du point d’équivalence.

Pour que la renaturation soit parfaite il faut obtenir le chemin inverse de la courbe de dénaturation et donc un refroidissement lent. Lorsque le refroidissement est trop rapide, la réassociation est irréversible. La renaturation est seulement possible pour des petites molécules d’ADN. Les possibilités de renaturation sont utilisées pour faire de l’hybridation moléculaire pour étudier l’ADN humain : l’ADN cible (ADN génomique) est hybridé avec un ADN sonde (ADN de référence). L’augmentation des forces ioniques du milieu réactionnel (NaCl) permet une renaturation plus facile, les cations neutralisant les forces répulsives de l’ADN.

4) Le polymorphisme de l’ADN

Les gènes qui codent pour des protéines ne représentent que 3% du génome humain, le restant de la molécule d’ADN (97%) est non codante (cf. chapitres suivants). De plus la structure de l’ADN humain est très variable d’un individu à un autre et ces variations sont surtout présentes au niveau de ces parties non codantes, mais aussi au niveau des gènes.

II) ARN

1) Structure des ARN

La première différence principale dans la structure de l’ARN est la fonction hydroxyle en 2’ du ribose qui permet à l’ARN de faire une liaison phosphodiester intramoléculaire en milieu basique avant de faire la liaison 3’-5’. De ce fait les ARN ont une demi-vie très courte.

La deuxième différence principale est le remplacement de la thymine par l’uracile.

Les molécules d’ARN sont simple brin et linéaire, et les seuls appariements de paires se font intramoléculaires par des liaisons hydrogènes sous forme de structures en tiges-boucles aux extrémités de l’ARN et des structures en épingles à cheveux à l’intérieur de l’ARN.

Les hélices d’ARN formées lors des appariements sont de type A et sont plus courtes et plus trapues que l’hélice de type B de l’ADN. L’effet hypochrome est également présent et dû aux appariements intramoléculaires. La courbe d’absorption UV en fonction de la température est cette fois-ci par pallier correspondant aux différentes boucles à épingles à cheveux dénaturées.

2) Les différents types d’ARN

Les ARN procaryotes et eucaryotes sont de différents types, on met en évidence les ARN messagers (ARNm), les ARN de transfert (ARNt), les ARN ribosomiques (ARNr) et les micros ARN.

a) Les ARN messagers

Les ARN-messagers correspondent aux séquences complémentaires et antiparallèles du brin matriciel (ou brin anti-codant) de l’ADN qui lui sert, comme son nom l’indique, de matrice, c’est-à-dire de modèle, mis à part que les thymines sont remplacées par les uraciles. Le brin d’ADN complémentaire du brin matriciel est appelé brin codant qui a la même séquence que l’ARN messager avec la même distinction (T devient U) que précédemment.

Le cycle cellulaire procaryote est très court, le cycle eucaryote est beaucoup plus long et nécessite ainsi une demi-vie de l’ARNm plus longue, celle-ci permise par l’addition de la coiffe, la poly-adénilation et l’épissage (cf. maturation du transcrit primaire dans le chapitre Transcription de l’ADN).

b) Les ARN de transferts

Les ARN de transfert sont constitués de 75 à 85 nucléotides. Les ARNt possèdent des extrémités spécifiques constantes : extrémité 5’ G et extrémité 3’ CCA ; ils possèdent également une structure secondaire en feuille de trèfle ainsi qu’une structure tertiaire en forme de L à l’envers. Les acides-aminés se fixent sur l’extrémité 3’OH par leurs fonctions COO- par une fonction carboxy-ester qui est riche en énergie, grâce à l’amino-acyl-tRNA-synthétase (cf. chapitre Traduction de l’ARN). Au niveau de la boucle opposé on trouve la boucle de l’anticodon qui permet la reconnaissance de l’ARN messager par appariement antiparallèle de bases.

c) Les ARN ribosomiques

Les ARN-ribosomiques rentrent dans la constitution des ribosomes, dans lesquels ils sont associés à des protéines. Leur taille est définie en unité Svedberg. Les procaryotes ont trois ARNr (ARN 5s, 16s et 23s) et les eucaryotes ont quatre ARNr (5s, 5,8s, 18s et 28s) :

• Les ribosomes procaryotes (70S) sont constitués d’une petite sous-unité 30S et d’une grande sous-unité 50S.
  • La sous-unité 30S est constituée d’un ARNr 16S (1541 nucléotides) et de 21 protéines.
  • La sous-unité 50S est constituée des ARNr 23S (2904 nucléotides) et 5S (120 nucléotides) ainsi que de 34 protéines.
• Les ribosomes eucaryotes (80S) sont constitués d’une petite sous-unité 40S et d’une grande sous-unité 60S.
  • La sous-unité 40S est constituée d’un ARNr 18S (1870 nucléotides) et de 33 protéines.
  • La sous-unité 60S est constituée des ARNr 28S (5030 nucléotides), 5,8S (160 nucléotides) et 5S (150 nucléotides) ainsi que de 49 protéines.

Le ribosome (ARN-ribosomiques et protéines) catalyse la formation de la liaison peptidique qui relie les acide-aminés entre eux, permettant ainsi la formation de protéines.

d) Les micros ARN et ARN interférants

Confère Régulation au niveau traductionnel et post-traductionnel dans le chapitre Régulation de l’ADN.