Structure et fonction des acides nucléiques

Introduction

Les acides nucléiques sont des macromolécules présentes dans tout le règne vivant et également les virus. Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides : en fonction du type de nucléotide, on distingue l’acide désoxyribonucléique ($\mathrm{ADN}$) et les acides ribonucléiques ($\mathrm{ARNs}$).

Les acides nucléiques sont soit le support de l’information génétique ($\mathrm{ADN}$), soit participent à son expression sous forme de protéine, ou à sa régulation ($\mathrm{ARNs}$).

Les nucléotides ont un rôle essentiel dans l’activité métabolique de la cellule : cofacteurs, transfert d’énergie, phosphorylation des protéines, régulation de canaux ioniques, …

Les bases azotées

Schéma général des nucléotides (voir figure).

Il existe $5$ bases impliquées dans les acides nucléiques. Elles sont réparties en deux familles (voir figure) :

• Les purines : adénine et guanine ;
  
• Les pyrimidines : cytosine, thymine (uniquement $\mathrm{ADN}$), uracile (uniquement $\mathrm{ARN}$).

Le sucre associé aux bases est le ribose ($\mathrm{ARNs}$) ou le désoxyribose ($\mathrm{ADN}$) (voir figure). Les fonctions chimiques du sucre, associées au carbone $3’$ (fonction alcool) et au carbone $5’$ (acide phosphorique) joueront un rôle essentiel dans la polymérisation des nucléotides pour construire les acides nucléiques.

$1$ à $3$ acides phosphoriques peuvent être associés à un nucléoside (base + sucre) pour former un nucléotide : $1$ acide phosphorique = nucléotide mono-phosphate (Ex. AMP) ; $2$ ac. phos. = nu. diphosphate (état transitoire) ; $3$ ac. phos. = nucléotide triphosphate ($\mathrm{NTP}$) (Ex. $\mathrm{ATP}$). L

ors de leur intégration dans un acide nucléique, les nucléotides sont toujours sous forme $\mathrm{NTP}$.

L’ADN

Polymère de désoxyribonucléotides. Il est formé de deux brins positionnés de façon antiparallèle. Les polymères vont de quelques milliers de paires de bases (pb) (bactéries, virus) à $10^{11}$ pb chez les plantes.

Liaison intrabrin : liaison phosphodiester entre la fonction alcool en $3’$ du nucléotide $n$, avec l’acide phosphorique en $5’$ du nucléotide $n+1$. L’enchaînement entre les nucléotides est libre : c’est la séquence d’$\mathrm{ADN}$. Chaque individu, chaque espèce possède sa propre séquence d’$\mathrm{ADN}$ même si des sections sont conservées. Seuls les jumeaux homozygotes et les clones (bactérie, virus et plante) ont théoriquement exactement la même séquence en bases.

Liaison interbrin : l’$\mathrm{ADN}$ existe uniquement sous forme double-brin, dans les conditions naturelles. Des liaisons hydrogène entre les bases des deux brins permettent d’associer les deux brins. Seulement, tous les couples de bases ne sont pas possibles : $\mathrm{A}$ associé forcément à $\mathrm{T}$ et $\mathrm{G}$ associé forcément à $\mathrm{C}$. Les deux brins sont dits complémentaires.

Les brins ont une orientation, qui dépend des fonctions libres des nucléotides placés aux extrémités : fonction $3’$ ou $5’$. On indique à chaque extremité du brin, le caractère $5'$ ou $3'$ approprié.

La molécule d’$\mathrm{ADN}$ n’est pas linéaire dans la nature : c’est une double-hélice (deux brins enroulés). Les enroulements des deux brins provoquent deux « creux » : grand sillon et petit sillon. Ils sont essentiels pour les interactions avec les protéines. Le modèle de double-hélice le plus courant est le modèle $\mathrm{B}$ : hélice droite, $\mathrm{1.2~nm}$ de diamètre, $10$ nucléotides par tour, $\mathrm{0.34~nm}$ entre chaque nucléotide. Il existe également les formes $\mathrm{A}$ et la $\mathrm{Z}$.

L’$\mathrm{ADN}$ se trouve dans le noyau de la cellule eucaryote : sous forme décondensé (euchromatine) ou sous forme condensée à différents degrés (hétérochromatine). La forme ultime de condensation de l’$\mathrm{ADN}$ est le chromosome (uniquement quand la cellule se divise). ATTENTION : le noyau humain contient $46$ molécules d’$\mathrm{ADN}$ chacune correspondant à un chromosome bien particulier.

Chez les bactéries (Procaryotes), l’$\mathrm{ADN}$ se trouve dans le cytoplasme, sous la forme d’une molécule circulaire = chromosome bactérien. Il peut être associé à d’autres molécules d’$\mathrm{ADN}$ circulaire mais qui contiennent uniquement une information génétique complémentaire (résistance aux métaux lourds, aux antibiotiques, possibilité de conjugaison) : ce sont des plasmides.

Les ARNs

Polymères de ribonucléotides. Ils sont simples brins, dans la Nature, mais peuvent présenter des zones doubles-brins, par repliement du brin sur lui-même, au niveau de séquences complémentaires ($\mathrm{ARN_{transfert}}$ et $\mathrm{ARN_{ribosomique}}$). Les $\mathrm{ARN_{messager}}$ ne présentent pas de repliement.

Dans les $\mathrm{ARNs}$, le nucléotide $\mathrm{T}$ est remplacé par le nucléotide $\mathrm{U}$, sans que la complémentarité avec $\mathrm{A}$ ne soit affectée.

Les $\mathrm{ARNs}$ sont beaucoup plus courts que l’$\mathrm{ADN}$ et leur stabilité est réduite, en raison de la structure simple brin.