genetique cours

1. ‫الرحيم‬ ‫الرحمان‬ ‫هللا‬ ‫بسم‬
Université de Tébessa
Faculté de sciences exactes et
sciences de nature et de la vie
Année Universitaire: 2019-2020
M. BENLAKEHAL Amar

2. Plan de cours:
Introduction
1.1. Nature chimique du matériel génétique.
1.2. Structure des acides nucléiques (ADN-ARN).
1.3. Organisation en chromosomes.
2
M. BENLAKEHAL Amar

3. ‫حيم‬ ّ‫ر‬‫ال‬ ‫حمان‬ ّ‫ر‬‫ال‬ ‫هللا‬ ‫بسم‬
‫قال‬
‫تعالى‬
:
«
‫ا‬َ‫ه‬ُّ‫ي‬‫َّأ‬‫ي‬
‫اس‬َّ‫ن‬‫ال‬
‫وا‬‫ق‬َّ‫ت‬ِ‫ا‬
‫م‬‫َّك‬‫ب‬َ‫ر‬
‫ي‬ِ‫ذ‬‫ال‬
‫م‬‫ك‬َ‫ق‬َ‫ل‬َ‫خ‬
‫ن‬ِ‫م‬
‫س‬‫ف‬َّ‫ن‬
‫ة‬َ‫د‬ ِ‫اح‬ َ‫و‬
َ‫ق‬َ‫ل‬َ‫خ‬ َ‫و‬
‫ا‬َ‫ه‬‫ن‬ِ‫م‬
‫ا‬َ‫ه‬َ‫ج‬‫و‬ َ‫ز‬
َ‫و‬
َّ‫ث‬َ‫ب‬
‫ا‬َ‫م‬‫ه‬‫ن‬ِ‫م‬
‫ا‬‫ل‬‫ا‬َ‫ج‬ ِ
‫ر‬
‫ا‬‫ا‬‫ير‬ِ‫ث‬َ‫ك‬
َ‫و‬
‫ا‬‫ء‬‫ا‬َ‫س‬ِ‫ن‬
‫وا‬‫ق‬َّ‫ت‬‫ا‬ َ‫و‬
َ‫للا‬
‫ي‬ِ‫ذ‬‫ال‬
َ‫ون‬‫ل‬َ‫ء‬‫ا‬َّ‫س‬َ‫ت‬
ِ‫ه‬ِ‫ب‬
َ‫و‬
َ‫ام‬َ‫ح‬‫ر‬َ‫ل‬‫ا‬
َّ‫ن‬ِ‫إ‬
َ‫للا‬
َ‫ان‬َ‫ك‬
‫م‬‫ك‬‫ي‬َ‫ل‬َ‫ع‬
‫ا‬‫ا‬‫يب‬ِ‫ق‬َ‫ر‬
»
‫و‬
‫يقول‬
‫أيضا‬
:
«
‫ا‬َّ‫و‬ِ‫ا‬
‫َا‬‫ى‬ْ‫ق‬َ‫ل‬َ‫خ‬
َ‫ان‬َ‫س‬ْ‫و‬ِ‫ال‬َ‫ا‬
‫ه‬ِ‫م‬
‫ة‬َ‫ف‬‫ط‬ُّ‫ن‬
ِ‫َاج‬‫ش‬‫م‬َ‫ا‬
ِ‫ه‬‫ي‬ِ‫ل‬َ‫ت‬‫ب‬َّ‫ن‬
‫َاي‬‫ى‬ْ‫ل‬َ‫ع‬َ‫ج‬َ‫ف‬
‫يعا‬ِ‫م‬َ‫س‬
‫يرا‬ ِ
‫ص‬َ‫ب‬
»
3
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4. Chaque être vivant est doté du pouvoir de
donner naissance à des descendants qui lui sont à
peu près identiques (morphologique, physiologique
et moléculaire).
la molécule permettant la transmission des
ces caractéristiques d’un individu a un autre,
nommée: m a t é r i e l g é n é t i q u e .
4
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5. Les molécules constituants le matériel génétique
doivent posséder plusieurs propriétés fondamentales:
1. Permettre le stockage d’une information,
2. Assurer la réalisation du programme qu’elles renferment,
3. Etre capables de se reproduire à l’identique (Réplication),
et
4. Permettre et tolérer une certaine variabilité, condition
indispensable à une évolution: (Mutation).
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6. Reconnaissance de l’ADN comme support génétique:
1. G.MENDEL: l’existence d’entités formelles contrôlant des
caractères morphologiques, ultérieurement nommés gènes.
2. F.GRIFFITH réalise sa célèbre expérience sur la
transformation bactérienne in vivo de Pneumocoques (Fig. 1)
= Un principe transformant.
3. Avery, MacLeod, McCarty: Approche enzymatique; Un
principe transformant= Acide Desoxyribonucléotide ADN
(Fig. 2) .
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7. Figure 1: Principe de l’expérience de transformation
bactérienne réalisée par GRIFFITH
7
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8. Figure 2: Expérience d’Avery, Mac Leod et Mac Carthy
(approche enzymatique)
8
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9. 1.1. Nature chimique du matériel génétique:
Contrairement aux polysaccharides et aux lipides, les acides
nucléiques (ADN; ARN) et les protéines portent l’information
génétique.
1.1.1.L’acide phosphorique:
Liaison ester: (acide phosphorique + groupement hydroxyle libre)
Liaison anhydride acide: (condensation d’un phosphate et autre acide)
9
𝐴𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑢𝑐𝑙é𝑖𝑞𝑢𝑒=𝐴𝑐𝑖𝑑𝑒𝑝ℎ𝑜𝑠𝑝ℎ𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑃𝑂4𝐻3 +𝑂𝑠𝑒𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠𝑒𝑠 +𝐵𝑎𝑠𝑒𝑠𝑎𝑧𝑜𝑡é𝑒𝑠
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10. 10
Figure 4: Liaison phospho-anhydride
Figure 3: Liaison ester
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11. 1.1.2. L’ose:
ADN: Désoxyribose (le groupement hydroxyle en position
2’ est remplacé par un hydrogène)
ARN: Ribose
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12. 1.1.3. Les bases azotées:
Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux
classes de molécules selon le noyau aromatique qui en constitue le
squelette.
Pyrines: (Adénine et Guanine) contiennent deux hétérocycle.
ADN
ARN ARN
ADN
Figure 5: Les bases puriques
12
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13. Pyrimidine: (Thymine, Cytosine et Uracile). Contiennent un seul
hétérocycle six atomes (4 carbones et 2 azotes)
ADN
ARN
ADN
seulement
ARN
seulement
Figure 6: Les bases pyrimidiques
13
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14. La base azotée est reliée au pentose par une liaison glycosidique:
C1’ sucre-N9 base purique et C1’ pentose-N1 base pyrimidique.
Figure 7: Liaison glycosidique (N-osidique)
14
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15. 1.2. Structure des acides nucléiques:
Les acides nucléiques (ADN ou ARN) sont des
macromolécules (polymères) composées de monomères appelés
nucléotides.
1.2.1- Les nucléotides
Un nucléotide résulte de l’assemblage de trois composants:
Figure 8: Nucléoside et Nucléotide
15
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16. Figure 9: Structure détaillée d’un désoxynucléoside
triphosphate précurseur de l’ADN
16
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17. 1.2.1.1. Nomenclature
Les noms des nucléosides ont comme suffixe :
« osine » pour les nucléosides puriques
« idine » pour les nucléosides pyrimidiques
Bases Nucléoside Nucléotide Abréviation
Purines
Adénine (A) Désoxyadénosine 2’-Désoxyadénosine
5’ triphosphate
dATP
Guanine (G) Désoxyguanosine 2’-Désoxyguanosine
5’ triphosphate
dGTP
Pyrimidines
Cytosine (C) Désoxycytidine 2’-Désoxycytidine 5’
triphosphate
dCTP
Thymine (T) Désoxythymidine 2’-Désoxythymidine
5’ triphosphate
dTTP
Uracile Uridine Uridine triphosphate UTP
Tableau 1: Nucléotides précurseurs de l’ADN.
17
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18. 1.2.2. Structure primaire des acides nucléiques
Un acide nucléique est un polymère formé par l’alternance de
sucres et de phosphates.
Un polynucléotide est une succession de nucléotides dans
laquelle le phosphate est relié par une liaison covalente, d’une part au
carbone 3’ d’un sucre , et d’autre part au carbone 5’ du sucre adjacent
(polymérisation des acides nucléiques). Cette liaison porte le nom de
liaison phosphodiester.
18
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19. Figure 10: Liaison phosphodiester (Polymérisation d’ADN)
19
Liaison phosphodiester
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20. 20
Figure 11: Formation d’un brin d’ADN par polymérisation
des nucléotides (Représentation simplifiée)
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21. Tout brin d’acide nucléique linéaire se trouve ainsi orienté
avec une extrémité 5’ phosphate libre, et une autre extrémité 3’
hydroxyle libre .
D’après une convention, on écrit les séquences avec extrémité
5’ à gauche.
Exemple:
ADN: 5’-ATAAGCTCA-3’ou ATAAGCTCA
ARN: 5’-AUAGCUUGA-3’ou AUAGCUUGA
Comme la chaîne est orientée: ATAAG n’est pas identique à
GAATA.
21
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22. 1.2.3. Structure secondaire des acides nucléiques (ADN):
L’ADN est un acide
nucléique bicaténaire (deux
brins), associés par des liaisons
hydrogène (H).
Deux polynucléotides
enroulées l’une au tours de
l’autre = Double hélice. (formule
de Watson et Crick).
Ce modèle a les
caractéristiques suivantes:
M. BENLAKEHAL Amar 22
Figure 12: Structure secondaire
de l’ADN (Watson et Crick)

23. 1.2.3.1. Bicaténaire et Antiparallèles:
 Bicaténaire: ADN = 2 brins Purique/Pyridine = 1
 Antiparallèle: Les 2 brins sont parallèles mais orientés dans 2 sens
différents (L’un 5’ 3’ et l’autre 3’ 5’).
23
Figure 13: Structure détaillée de deux brins antiparallèles d’ADN
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24. 1.2.3.2. Complémentarité: appariement spécifique par des liaisons
hydrogène
24
Figure 14: Association des bases complémentaires de deux brins par
les liaisons hydrogène.
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25. 1.2.3.3. Règle de Chargaff:
25
Lorsque:
ADN bicatenaire
 Complémentarité:
(Appariement spécifique)
[A]=[T]
[G]=[C]
Règle de Chargaff
(A+G)/(T+C)=1
Cependant le rapport (A+T)/(G+C) [Rapport d’asymétrie]varie
considérablement selon l’origine des molécules d’ADN.
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26. 1.2.3.4. Un aspect irrégulière: présence d’une alternance d’un
sillon mineur et un sillon majeur
(grande importance pour: l’interaction avec les protéines au cours la
réplication et l’expression de l’information génétique).
26
Figure 15: Représentation schématique de la double hélice d’ADN
3,4
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27. 1.2.3.5. Autres caractères:
 La distance moyenne entre deux bases successives = 3,4 Å.
 10 paires de bases successives = un tour.
 Pas d’hélice = 34 Angström.
 Le diamètre d’hélice d’ADN = 20Å (2,0 nm).
La double hélice est dextre = a pas droite.
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28. 1.2.4. Différentes conformation de l’ADN:
La forme idéale de la plupart d’ADN in vivo est la
conformation B (Formule de Watson et Crick), mais également les
acides nucléiques sont retrouvés sous forme de divers types d’hélices:
Conformation A et Conformation Z
28
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29. Tableau 2: Comparaison entre les différentes conformation d’ADN
29
Conformation B Conformation A Conformation Z
Sens de l’hélice droit droit gauche
Diamètre 2.0 nm 2.6 nm 1.8 nm
Résidu par tour +10 pb 11 pb 12 pb
Ecarte entre 2 pb 0.34 nm 0.26 nm 0.37 nm
Pas de l’hélice 3.4 nm 2.8 nm 4.5 nm
Où se trouvent ?
95% d’ADN
*Hybridation
ADN-ARN
* Hygrométrie
Alternance des
bases purique et
pyrimidique
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30. Une structure d’ordre supérieur: Super hélice
30
La molécule d’ADN : L’état relâché
Comment est-il possible
qu’autant d’ADN plus long soit
contenu dans une espace aussi petit?
1.2.5. Structure de l’ADN: Superhélice:
La taille de la
molécule de l’ADN>La taille
de la cellule
La machinerie
moléculaire de l’ADN:
(Réplication et Transcription)
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31. 31
Structure de superhélice
Un superenroulement négatif:
Enroulement vers la gauche
(direction opposée): La forme la
plus dominante.
Un superenroulement positif:
Enroulement vers la droite.
 Topoisomérase II (gyrase)
 Topoisomérase I
Ces modifications topologiques de la molécule d’ADN
s’effectuent sous l’effet des enzymes spécifiques: Les topoisomérases
M. BENLAKEHAL Amar

32. 32
Figure 16: Mode d’action de topoisomérase II
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Cassure du duplex
circulaire et
passage de la partie non
coupée à travers la
coupure
Ressoudure

33. 33
Figure 17:Mode d’action de topoisomérase I
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34. Le superenroulement a
deux conséquences
importantes:
 Compacter l’ADN et
diminuer ainsi le
volume qu’il occupe
dans le noyau.
 Influencer les
interactions des
protéines avec l’ADN
(l’expression de
l’information
génétique).
34
Figure 18: Les topoisomères d’une
molécule d’ADN
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35. 1.3. Propriétés physico-chimiques:
1.3.1. La taille et la masse des acides nucléiques:
L’ADN peut s’exprimer en trois formules :
1.3.1.1. Le nombre de paire de base:
𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑏 = 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑛𝑢𝑐𝑙é𝑜𝑡𝑖𝑑𝑒𝑠/2
1.3.1.2. La longueur:
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑢𝑒𝑢𝑟 Å = 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑏 × 3,4
1.3.1.3. Le poids moléculaire:
𝑃𝑜𝑖𝑑𝑠 𝑑′
𝐴𝐷𝑁 = 𝑝𝑜𝑖𝑑𝑠 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛 𝑑′
𝑢𝑛 𝑛𝑢𝑐𝑙é𝑜𝑡𝑖𝑑𝑒 × 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑛𝑢𝑐𝑙é𝑜𝑡𝑖𝑑𝑒.
35
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36. Exercice 01: Le pourcentage de nucléotide A observé dans l’ADN
isolé du foie humaine est de 30.7% . Quel est le pourcentage
attendu de T, G et de C?
Exercice 02: Soit un ADN double brin de masse moléculaire
4.5*106 daltons. Calculer le nombre de paires de bases, la longueur,
le nombre de tours d’hélice de cette molécule. On donne: pas
d’hélice d’ADN=3.4 nm; nombre de pb par tours d’hélice =10 ;
masse moléculaire moyenne d’un nucléotide =308 Da.
36
M. BENLAKEHAL Amar

37. 1.3.2. Dénaturation:
1.3.2.1. Définition: Sous l’effet de la chaleur et de certains produits
chimique l’ADN double brin peut dissocier en deux simples brins.
La dénaturation (fusion) s’effectue par la rupture des liaisons
hydrogènes, et par conséquence les deux chaines se déroulent et les
deux brins se séparent.
On parle alors de température de fusion ou de Tm; c’est le
point de transition où la moitié (50%) des brins sont dissociés.
La Tm est fonction de la proportion GC de l’ADN.
1.3.2.2. Intérêt: L’analyse des profils de fusion permet de caractériser
chaque molécule d’ADN et d’estimer sa composition en bases.
37
M. BENLAKEHAL Amar

38. 1.3.2.3. Mesure: La
dénaturation d’ADN peut
être suivie au moyen de
l’hyperchromicité (mesure
de l’absorption de la
lumière UV à 260 nm):
 ADN natif: absorption
modéré (viscosité
élevée).
 ADN dénaturé:
augmentation de
l’absorption des UV
(diminution de
viscosité).
38
M. BENLAKEHAL Amar
Figure 19: Courbe de dénaturation
de l’ADN en fonction de température.

39. 1.3.3. Renaturation:
1.3.3.1. Définition: Si on abaisse graduellement la T° d’une solution
d’ADN qui a été dénaturée par chauffage, les deux brins d’ADN
dénaturé se réassocient par complémentarité de bases. Ce phénomène
s’appelle: Renaturation (Hybridation)
1.3.3.2. Intérêt: Principe largement utilisé en biologie moléculaire,
pour : identifier des séquences d’un acide nucléiques à tester souvent
mal compris par l’utilisation des oligonucléotides bien caractérisées.
39
M. BENLAKEHAL Amar

40. 1.4. Conditionnement cellulaire des acides nucléiques :
L’organisation des génomes des cellules procaryotes et eucaryotes est
différentes:
1.4.1. Organisation de l’ADN
des bactéries:
L’ADN chromosomique
bactérien (généralement circulaire
organisé en super hélice) est
associé à des protéines sous la
forme d’un nucléoïde.
N.B: éventuellement présence
additionnelle de plasmide
(conférant à la cellule procaryote
des propriétés spécifiques:
métaboliques).
M. BENLAKEHAL Amar 40
Figure 20: Chromosomes
d’E. coli (super-enroulés)

41. 1.4.2. Organisation d’ADN nucléaire des eucaryotes:
1.4.2.1. Structure de chromatine:
L’ADN dans une cellule eucaryote est constitué d’un certain
nombre d’unités appelées: Chromosomes.
L’ADN de chaque chromosome serait composé d’une seule
molécule linéaire. Tout cet ADN doit être empaqueté dans le noyau ;
en effet , dans leur forme extrêmement condensées (concentration
d’ADN élevée).
Exemple: Longueur totale de l’ADN chromosomique : ≈1,8 m , taille
du noyau ≈10 μm.
L’empaquetage est accomplit par la formation d’un complexe:
41
M. BENLAKEHAL Amar
ADN + protéines (Histones) = Chromatine

42. 1.4.2.1.1. Les histones:
M. BENLAKEHAL Amar 42
Histones
 𝑯𝟐𝑨, 𝑯𝟐𝑩, 𝑯𝟑, et 𝑯𝟒 (histones
cœurs) et 𝑯𝟏.
 Riches en acides aminés basiques
(charge +) (Lysine et Argénine)
dans l’extrémité 𝑵𝑯𝟐.
Une forte association avec
l’ADN (charge négative):
Formation de chromatine
Des segments d’ADN (environ 160 pb) effectuent un double
enroulement négatif autour d’un octamére d’histones (2 H2A, 2H2B, 2H3, et
2 H4 ), formant les nucléosomes (aspect de collier de perles) =
nucléofilaments.
L’histone 𝐇𝟏 se lie à l’ADN enroulé autour des autres histones. Elle
s’associe également à l’ADN internucléosomique ce qui favorise les
interactions entre nucléosomes pour donner des fibres épaisses de 30 nm de
section.
Nucléosome + 𝐻1 = Chromatosome

43. 43
M. BENLAKEHAL Amar
Histone H1
Chromatosome
ADN lieur (linker)
Octamère
Collier de perle
Figure 21: Structure simplifiée de la chromatine.

44. 1.3.2.2. Condensation de l’ADN nucléaire en
chromosomes:
Chez les eucaryotes l’ADN nucléaire est replié d’une manière
ordonnée qui assure le stockage d’une grande quantité d’ADN dans le
noyau. Cependant; Au cours de cycle cellulaire, les chromosomes
passent d’une structure très condensée (Métaphase) à une forme
beaucoup plus diffuse (Interphase).
Plusieurs étapes de condensation:
1. Premier niveau: le nucléosome : 2 nm d’ADN enroulée en
nucléosomes de 11 nm de diamètre. (facteur de condensation=6).
44
M. BENLAKEHAL Amar

45. 2. Deuxième niveau: Empaquetage ou compaction
(enroulement des perles) (facteur de condensation = 40).
3. Troisième niveau:
(constituant de chromosomes métaphasiques). (facteur de condensation =
1000 «chromosomes interphasiques» et FC = 10000 chromosomes
mitotiques»).
45
M. BENLAKEHAL Amar
Solénoïdes (30 nm Ø)
Fibre de chromatine (11 nm Ø)
Solénoïde = nombreux nucléosomes enroulés ensemble
Solénoïdes (30 nm Ø)
Fibre de chromatine
(300 nm Ø)
Fibre de chromatine
(300 nm Ø)
Chromatide (700 nm Ø)
Domaines en boucles
Repliement à
l’intérieur de bras

46. 46
Figure 22: Nucléosome, fibre de chromatine
et chromosome.
M. BENLAKEHAL Amar
N.B: facteur de condensation= le rapport entre la longueur d’ADN et
celle de la structure qui le contient.

47. 47
Figure 23:Organisation et empaquetage de la chromatine.
M. BENLAKEHAL Amar

48. Chez les eucaryotes la chromatine présente sous plusieurs forme ;
on distingue:
 La chromatine condensée (hétérochromatine = solénoïde en
superboules):
hétérochromatine constituve (centromères, télomères)
facultative (chromosome X chez les femelles)
 La chromatine diffuse (euchromatine = fibre de solénoïde non
reployée).
Seule la chromatine décondensée est accessible à la machinerie
moléculaire assurant la transcription et la réplication. Ceci signifie que
lors des divisions cellulaires, toute activité moléculaire est exclue, les
chromosomes étant alors uniquement constitués d’hétérochromatine.
48
M. BENLAKEHAL Amar

49. Structure d’ARN
1. Propriétés:
À quelques exceptions près, les ARN sont des molécules simple
brin. Cependant, de courtes régions d’une molécule d’ARN peuvent
s’apparier par complémentarité des bases. Ces structures portent le
nom de structures secondaires.
2. Types d’ARN:
Les trois principaux types d’ARN connus sont:
1) les ARN ribosomiques (ARNr) [80% ARN totaux]
2) les ARN de transfert (ARNt) [15% ARN totaux]
3) les ARN messagers (ARNm) [5% ARN totaux]
49
M. BENLAKEHAL Amar

50. Que faut il retenir
1. Caractéristique de matériel génétique:
(Réplication, stockage, expression des informations génétiques, mutations).
2. Nature des acides nucléiques:
Les motifs constituants d’un acide nucléique (ose, acide phosphate, base
azotée et les différentes types de liaisons chimiques entres ces trois
constituants).
3. Structure des acides nucléiques:
Primaire, secondaire et spatiale.
4. Propriétés physico-chimique des acides nucléiques:
Dénaturation, renaturation (hybridation) et dégradation.
5. Conditionnement cellulaire des acides nucléiques
 Chez les procaryotes et les eucaryotes.
 La différence entre euchromatine et hétérochromatine.
50
M. BENLAKEHAL Amar