Paces bio mol chap 1

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Paces bio mol chap 1

  1. 1. STRUCTURE DE L'ADN (2h) A - Structure des nucléotides B - Structure des acides nucléiques C - Chromatine et ADN 1 PACES - UE1 - Atomes, biomolécules, génome, bioénergétique, métabolisme BIOLOGIE MOLECULAIRE – CHAPITRE I Marion Vankersschaver marion.vankersschaver@gmail.com - 06 28 07 97 40
  2. 2. A - Structure des nucléotides 1 – Phosphates 2 – Ribose, désoxyribose 3 – Bases azotées 4 – Nucléosides et nucléotides 2
  3. 3. A - Structure des nucléotides 3 L’ADN est un acide nucléique qui contient : 2 - des riboses ou désoxyriboses 3 - des bases azotées désoxy en C2 1 - des phosphates Carbone 2’ acide phosphorique (PO4H3) oses à 5 carbones (pentoses) bases azotées (purines ou pyrimidines)
  4. 4. 1 - Phosphates Le phosphate inorganique (Pi) est un ion stable formé à partir de l’acide phosphorique HPO4 2-. Le pyrophosphate (PPi) est constitués de deux molécules d’acide phosphorique condensées. 4
  5. 5. 1 - Phosphates LIAISON ESTER : des esters de phosphate se forment entre un acide phosphorique et un groupement hydroxyle libre (alcool, énol, phénol...). 5
  6. 6. 1 - Phosphates LIAISON ANHYDRIDE D ’ACIDES : la condensation d’un phosphate et d’un autre acide (par exemple un autre phosphate) donne un anhydride (il y a aussi des anhydrides mixtes avec les acides carboxyliques par exemple). 6
  7. 7. 2 - Ribose, désoxyribose Le ribose est un pentose de la série D, dont tous les hydroxyles sont orientés à droite (représentation de Fisher). Dans les acides ribonucléiques (RNA), il est cyclisé en ribofuranose : anomère β spécifiquement. 7
  8. 8. 2 - Ribose, désoxyribose Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (DNA) est dérivé du ribose par une réduction de la fonction alcool secondaire du carbone n°2. Le désoxyribose confère à cet acide nucléique une plus grande stabilité propre à sa fonction de conservation de l’information génétique. 8
  9. 9. 3 – Bases azotées Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux classes de molécules selon le noyau aromatique qui en constitue le squelette. Le noyau pyrimidine est un noyau aromatique à six atomes, quatre carbones et deux azotes ; les deux azotes en position méta (n°1 et 3). 9
  10. 10. 3 – Bases azotées Le noyau purine est constitué de deux noyaux hétérocycliques accolés, un de six atomes et l’autre de cinq atomes, ayant deux carbones en commun au milieu. Par rapport à ces carbones communs, les azotes occupent des positions symétriques (n° 1 et 3 à gauche, n° 7 et 9 à droite). 10
  11. 11. 3 – Bases azotées BASES PURIQUES : L’adénine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 6 est substitué par une fonction amine. Elle est la seule des bases nucléiques dont la formule ne contient pas d’atome d’oxygène. 11
  12. 12. 3 – Bases azotées BASES PURIQUES : La guanine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 2 est substitué par une fonction amine et le carbone 6 par une fonction cétone. 12
  13. 13. 3 – Bases azotées BASES PYRIMIDIQUES : La cytosine est constituée d’un noyau pyrimidine dont le carbone 4 est substitué par une fonction amine et le carbone 2 par une fonction cétone. 13
  14. 14. 3 – Bases azotées BASES PYRIMIDIQUES : L’uracile est constituée d’un noyau pyrimidine dont les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone. 14
  15. 15. 3 – Bases azotées BASES PYRIMIDIQUES : La thymine est aussi constituée d’un noyau pyrimidine dont les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone, mais dont le carbone 5 est substitué par un méthyl. 15 1
  16. 16. A - Structure des nucléotides 16 5’ P 3’ OH Ces molécules s’assemblent pour former des nucléotides
  17. 17. A - Structure des nucléotides 17 4 sortes de bases azotées 4 sortes de nucléotides
  18. 18. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOSIDES La liaison d’une base azotée avec un sucre (ribose ou désoxyribose) donne un nucléoside. 18
  19. 19. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOSIDES La liaison implique un des azotes de la base (azote n°1 des pyrimidines ou azote n°9 des purines) et le carbone n°1 de l’ose (carbone réducteur). C’est une liaison N- osidique. On numérote les atomes de la base par des chiffres : 1, 2, 3, etc... et pour les distinguer, les carbones du sucre sont numérotés 1’, 2’, 3’, etc... 19
  20. 20. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOSIDES Un nucléoside est donc une molécule composée d’un pentose (β-D-ribose ou 2- désoxy-β-D-ribose) lié par une liaison N-osidique à une base azotée. 20
  21. 21. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOTIDES La liaison d’un nucléoside avec un phosphate donne un nucléotide. 21
  22. 22. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOTIDES La liaison se fait par une estérification de la fonction alcool primaire (carbone n°5’) du sucre et une des trois fonctions acides du phosphate. Un nucléotide est donc formé d’une base azotée, liée par une liaison osidique avec un sucre, lui-même lié par une liaison ester avec un phosphate. 22
  23. 23. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLEOTIDES Un nucléotide est donc une molécule composée d’un nucléoside lié par une liaison ester à un acide phosphorique (les nucléotides sont des esters phosphoriques des nucléosides). 23 nucléoside nucléoside nucléoside
  24. 24. 4 - Nucléosides et nucléotides NOMENCLATURE Nucleoside monophosphate = nucleotide. 24
  25. 25. 4 - Nucléosides et nucléotides Les bases azotées sont désignées par une initiale et par une couleur. 25
  26. 26. 4 - Nucléosides et nucléotides NOMENCLATURE Ribose + Base = Ribonucléoside Désoxyribose + Base = Désoxyribonucléoside Ribose + Base + 1 Phosphate = Ribonucléotide Désoxyribose + Base + 1 Phosphate = Désoxyribonucléotide Ribose + Base + 3 Phosphates = Nucléosides triphosphates Désoxyribose + Base + 3 Phosphates = Désoxy Nucléoside triphosphates 26
  27. 27. 4 - Nucléosides et nucléotides RIBONUCLÉOSIDES Adénosine 27 Les autres ribonucléosides sont la guanosine, la cytidine et l’uridine.
  28. 28. 4 - Nucléosides et nucléotides DÉSOXYRIBONUCLÉOSIDES Désoxyguanosine 28 Les autres désoxyribonucléosides sont : la désoxyadénosine, la désoxycytidine et la désoxythymidine.
  29. 29. 4 - Nucléosides et nucléotides RIBONUCLÉOTIDES Uridine MonoPhosphate = UMP ou uridylate 29 Les autres ribonucléotides sont : l’AMP, le GMP et le CMP.
  30. 30. 4 - Nucléosides et nucléotides DÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES Désoxythymidine MonoPhosphate = thymidine monophosphate (dTMP ou TMP) ou acide thymidylique 30 Les autres désoxyribonucléotides (ou nucléotides) sont le dAMP, le dGMP et le dCMP.
  31. 31. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES = base azotées liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates. Adénosine Tri Phosphate 31 Les autres nucléosides triphosphates sont le GTP, le CTP, l’UTP.
  32. 32. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Adénosine Tri Phosphate 32 Au pH physiologique, les fonctions acides des acides phosphoriques distaux sont fortement ionisées. Les liaisons anhydrides unissant les acides phosphoriques sont des liaisons riches en énergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol). L’ATP est un des substrats des RNA- polymérases. Le coenzyme ATP/ADP est un coenzyme transporteur d’énergie universel. Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate comme substrat ou comme coenzyme, nécessitent en même temps la présence du cation Magnésium comme cofacteur.
  33. 33. 4 - Nucléosides et nucléotides NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Dans le métabolisme interviennent des substrats riches en énergie : les nucléosides triphosphates. Un nucléoside triphosphate est un nucléotide dont le phosphate est lui-même lié à un ou deux autres phosphates par des liaisons anhydride d’acides. 33
  34. 34. 4 - Nucléosides et nucléotides 34 NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES
  35. 35. 4 - Nucléosides et nucléotides DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate = cytosine, liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates. Les autres désoxynucléosides triphosphate sont le dATP, le dGTP et le dTTP. 35
  36. 36. 4 - Nucléosides et nucléotides DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate 36 Au pH physiologique, les fonctions acides des acides phosphoriques distaux sont fortement ionisées. Les liaisons anhydrides unissant les acides phosphoriques sont des liaisons riches en énergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol). Le dCTP est un des substrats des DNA- polymérases. Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate comme substrat ou comme coenzyme, nécessitent en même temps la présence du cation Magnésium comme cofacteur.
  37. 37. B - Structure des acides nucléiques 1 – Liaisons phosphodiester 2 – Extrêmités 5’ et 3’ 3 – Liaisons hydrogène 4 – Acide Désoxyribo Nucléique 5 – Acide Ribo Nucléique 6 – ADN vs ARN 37
  38. 38. B - Structure des acides nucléiques 38 Liaisons phosphodiester Liaisons H Extrêmité 5’ Extrêmité 3’ L'ADN est un polymère de nucléotides
  39. 39. B - Structure des acides nucléiques 39 Liaisons phosphodiester Extrêmité 5’ L'ARN est un polymère de ribonucléotides Extrêmité 3’ A G U C
  40. 40. 1 – Liaisons phosphodiester Les acides nucléiques sont des macromolécules résultant de la condensation de très nombreux nucléotides, liés par des liaisons phosphodiester. Ces liaisons sont formées entre le carbone 3’ d’un premier nucléotide et le carbone 5’ du nucléotide suivant. 40
  41. 41. 1 – Liaison phosphodiester 41 Liaison Phosphodiester GTP Extrêmité 3’ OH Extrêmité 5’ Phosphate
  42. 42. 2 – Extrémités 5’ et 3’ Ces liaisons définissent un sens à la molécule : 42 5’ 3’
  43. 43. 2 – Extrémités 5’ et 3’ Le début est le nucléotide dont le phosphate en 5’ ne serait lié à aucun autre nucléotide : il porte par une liaison ester sur le carbone 5’ de son ribose un phosphate dont les deux autres fonctions acides ne sont pas estérifiées. 43
  44. 44. 2 – Extrémités 5’ et 3’ La fin correspond au nucléotide dont la fonction alcool en 3’ n’est pas estérifiée. 44
  45. 45. 3 – Liaisons hydrogène = liaison de faible énergie entre deux atomes attirés l’un vers l’autre pour des raisons électrostatiques l’un étant riche en électrons (donc nucléophile) et l’autre n’ayant que les protons de son noyau (donc électrophile). 45
  46. 46. 3 – Liaisons hydrogène - L’atome d’hydrogène est électrophile. - Les atomes d’azote et d’oxygène sont nucléophiles. 46
  47. 47. 3 – Liaisons hydrogène 47 L’adénine peut former 2 liaisons H avec la thymine. La guanine peut former 3 liaisons H avec la cytosine.
  48. 48. 3 – Liaisons hydrogène L’hybridation adénine-thymine est moins stable que celle entre guanine et cytosine. 48
  49. 49. Bases azotées à l’intérieur Les bases azotées liées par les liaisons hydrogènes sont tournées vers l’intérieur, tandis que les riboses et les acides phosphoriques, hydrophiles sont tournés vers l’extérieur. 49 4 - Acide Désoxyribo Nucléique
  50. 50. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique Chaînes antiparallèles L’ADN est formé de deux chaînes antiparallèles : l’extrémité 5’ de l’une est du côté de l’extrémité 3’ de l’autre. 50 5’ 5’3’ 3’
  51. 51. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique Appariement complémentaire Pour que tous les nucléotides puissent s’hybrider ; il faut que l’ordre dans lequel ils sont liés ensemble soit complémentaire de la chaîne opposée. 51
  52. 52. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique La double hélice et le modèle en ruban La double hélice a un pas de 3,4 nm, il y a environ 10 paires de nucléotides pour chaque tour d’hélice. 52
  53. 53. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique Grand sillon, petit sillon Le grand sillon est profond et large, le petit sillon est étroit et peu profond. Certaines protéines forment des liaisons avec les sillons. 53 Il y a 4 motifs différents possibles pour l’accrochage du grand sillon. Il y a 2 motifs différents possibles pour l’accrochage du grand sillon.
  54. 54. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique 54
  55. 55. 4 - Acide Désoxyribo Nucléique Fusion La chaleur peut dissocier les deux chaînes : c’est la fusion du DNA. Elle est réversible. 55
  56. 56. 5 - Acide Ribo Nucléique Pour former un acide ribonucléique les nucléotides (GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns sur les autres avec des liaisons phosphodiester entre le carbone 3’ d’un premier nucléotide et le carbone 5’ du nucléotide suivant. 56
  57. 57. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte distance par leurs bases complémentaires. 57
  58. 58. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire L'ARN peut former une hélice identique à celle de l'ADN grâce à des liaisons H et en se repliant sur lui même. Les structures secondaires de l'ARN permettent d'obtenir des molécules plus stables, ayant une structure tertiaire donnée. 58 ARNr 23S (H. marismortui)
  59. 59. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Structures en tige boucle 59 Structure en tige et boucle formée par une séquence répétée inversée sur l'ARN Topologie des différentes structures secondaires rencontrées dans l'ARN
  60. 60. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Structures en tige boucle La plupart du temps, des liaisons H de type Watson Crick sont à l'origine des structures en tige boucle. Plus rarement, on observe des liaisons H de type Hoogsteen. 60 Guanosine montrant la face Watson-Crick et la face Hoogsteen de la purine
  61. 61. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Liaisons H de type Watson Crick 61
  62. 62. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Liaisons H de type Hoogsteen 62
  63. 63. 5 - Acide Ribo Nucléique Structure secondaire Pseudonoeuds 63 mécanismes de formation d'un pseudonœud dans l'ARN
  64. 64. 5 - Acide Ribo Nucléique Plusieurs espèces d’acides ribonucléiques : — rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe à la structure des ribosomes, 82% des ARN cellulaires. — tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteur des acides aminés activés pour la traduction, 16% des ARN cellulaires. — mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la transcription d’un gène qui porte l’information à traduire, 3 à 5% des ARN cellulaires. — snRNA = small nuclear RNA, ils sont riches en U et participent à l’excision/épissage des introns, <1% des ARN cellulaires. —RNA 7S = ARNs qui participent à la reconnaissance du peptide signal, <1% des ARN cellulaires. 64
  65. 65. 5 - Acide Ribo Nucléique ARN ribosomiques = organites situés dans le cytoplasme et dans les mitochondries. Ils interviennent pendant la transcription (fabrication des protéines). Les ARNr s’associent aux protéines ribosomales (r-protéines) et jouent un rôle essentiel dans la structure et le maintien de l’intégrité des ribosomes. 65
  66. 66. 5 - Acide Ribo Nucléique ARN ribosomiques procaryotes les ribosomes 70S sont formés de 2 sous- unités : S = unité de sédimentation ou Svedberg. - La grande sous-unité 50S contient 2 ARNr (5 S et 23 S) et au moins 34 r-protéines. - une petite sous-unité 30S contient 1 ARNr (16 S) et au moins 21 r-protéines. 66
  67. 67. 5 - Acide Ribo Nucléique ARN ribosomiques eucaryotes les ribosomes 80S sont formés de 2 sous- unités. - La grande sous-unité 60S contient 3 ARNr (5 S, 5,8 S et 28 S) - La petite sous-unité 40S contient 1 ARNr (18 S). 67
  68. 68. 5 - Acide Ribo Nucléique ARN ribosomiques eucaryotes Le nombre de r-protéines est plus important que chez les procaryotes. 68
  69. 69. 5 - Acide Ribo Nucléique ARN de transfert Il existe plus de 20 ARNt différents : au moins un par acide aminé. Structure en trèfle, contiennent de 75 à 95 nt. 69
  70. 70. 6 – ADN vs ARN 70 ADN ARN Bases azotées = A T C G Bases azotées = A U G C
  71. 71. 6 – ADN vs ARN 71 ADN ARN Désoxyribose Ribose Carbone 5’ Carbone 5’ Carbone 3’ Carbone 3’
  72. 72. 6 – ADN vs ARN 72 ADN ARN Désoxyribose Ribose Carbone 5’ Carbone 5’ Carbone 3’ Carbone 3’
  73. 73. 6 – ADN vs ARN 73 ADN ARN Désoxyribonucléotides Ribonucléotides
  74. 74. 6 – ADN vs ARN 74 ADN ARN Double brin Simple brin des portions peuvent être sous forme bicaténaire : appariées sur une courte distance par leurs bases complémentaires. Plus long Plus court : 70 à 10 000 nucléotides Plus stable Plus instable
  75. 75. 6 – ADN vs ARN 75
  76. 76. C - Chromatine et ADN 1 – Compaction de l’ADN 2 – Chromatine 3 – ADN et cycle cellulaire 76
  77. 77. 1 – Compaction de l’ADN 77 Chez les eucaryotes, presque tout l'ADN est contenu dans le noyau (on en trouve aussi un peu dans les mitochondries et les chloroplastes). Un chromosome humain peut contient 20 à 100 millions de paires de bases. Les cellules humaines contiennent 46 chromosomes chacune.
  78. 78. 1 – Compaction de l’ADN 78 Le noyau de chacune de nos cellules contient ainsi des molécules d’ADN qui dépliées, mesurent plus de 2 mètres de long. > L’ADN y est hyper compacté.
  79. 79. 1 – Compaction de l’ADN 79 Histones Chaque molécule d'ADN du noyau est enroulée sur des protéines appelées histones.
  80. 80. 1 – Compaction de l’ADN 80 Nucléosomes L'ADN enroulé sur 8 histones forme un nucléosome. Les histones H1 servent à relier les nucléosomes les uns aux autres de façon à former une structure spiralée plus compacte.
  81. 81. 1 – Compaction de l’ADN Solénoïde L'ensemble s'enroule à nouveau sur lui-même pour former des solénoïdes. Leur diamètre fait 30nm. 81
  82. 82. 1 – Compaction de l’ADN Solénoïde Les boucles contiennent 6 à 8 nucléosomes par tour et sont hautes de 11nm. La chromatine est formée de solénoïdes. 82
  83. 83. 1 – Compaction de l’ADN 83 Scaffold Le solénoïde se replie sur un Scaffold pour former des structures de 300 nm de diamètre. Les chromosomes décondensés ont cette structure. (en INTERPHASE)
  84. 84. 84 Chromosomes L’ADN se condense encore pour former des structures de 700 nm de diamètre, elles mêmes condensées pour former des structures de 1400 nm de diamètre. Les chromosomes condensés ont cette structure (en METAPHASE) 1 – Compaction de l’ADN
  85. 85. 1 – Compaction de l’ADN 85 En résumé...
  86. 86. 86 1 – Compaction de l’ADN En résumé...
  87. 87. 87 1 – Compaction de l’ADN En résumé...
  88. 88. C - Chromatine et ADN La chromatine est la forme sous laquelle se présente l'ADN dans le noyau. Sont degré de compaction dépend : - Du type de chromatine observé. - De la période du cycle cellulaire où on l’observe. 88
  89. 89. 2 – Chromatine Euchromatine = chromatine décondensée (10 nm de diamètre) qui correspond à des zones où les gènes sont activement transcrits. 89
  90. 90. 2 – Chromatine Hétérochromatine = chromatine condensée (20 à 30 nm de diamètre) qui correspond à des zones inactives au niveau transcriptionnel. 90
  91. 91. 2 – Chromatine Hétérochromatine Hétérochromatine constitutive = portions de chromosomes inactives dans toutes les cellules et porteuses de séquences répétitives. La plupart se trouve à proximité des centromères et télomères. Hétérochromatine facultative = portions de l'hétérochromatine variables selon le type ou l'état de différenciation des cellules. 91
  92. 92. 2 – Chromatine Acétylation, méthylation Les histones de l’euchromatine sont hyperacétylées et hypométhylées. Celles de l’hétérochromatine sont hypoacétylées et hyperméthylées. 92
  93. 93. 2 – Chromatine Localisation L’euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme. L’hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du nucléole. 93Condensed heterochromatin, the dark areas against the envelope and in the centre Not-condensed (diffuse) euchromatin, the bright areas in between
  94. 94. 3 - ADN et cycle cellulaire 94
  95. 95. 3 - ADN et cycle cellulaire A la fin de l’interphase, l’ADN se condense et forme des chromosomes. A la fin de la mitose (en télophase) l’ADN se décondense. 95
  96. 96. 3 - ADN et cycle cellulaire 96

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