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ACIDES NUCLEIQUES et INFORMATION GENETIQUE:
- RAPPELS + QCMs
- QCMs de CONCOURS
- TESTS NOTES et CORRIGES

ACIDES NUCLEIQUES

Sources: Acides nucléiques:
Détails sur les acides nucléiques

Les acides nucléiques (أحماض نووية) sont de deux types; l'acide désoxyribonucléique (ADN ou DNA ) et l'acide ribonucléique (ARN ou RNA). Ils sont constitués de nucléotides (نكليوتيدات).
Chaque nucléotide est composé d'une de 4 bases azotées, de l'acide phosphorique et d'un sucre à 5 carbones (pentose) qui le désoxyribose pour le DNA et le ribose pour le RNA.

Deux pentoses (sucre en C5) selon les 2 types des acides nucléiques



Phosphate

Les chaînes d'acides nucléiques contiennent des nucléosides monophosphates, incorporés à l'ADN et à l'ARN à partir de nucléosides triphosphates, contenant trois unités phosphate (voir figure). Le sucre pentose est lié au phosphate par une liaison ester au niveau du carbone 5'.



Bases azotées, composantes principales des acides nucléiques.

Les bases azotées des acides nucléiques sont réparties en 2 types:
- les bases puriques comprenant l'Adénine ou 6-aminopurine (A) et la Guanine ou 2-amino-6-oxypurine (G)
- Les bases pyrimidiques comprenant la Thymine ou 2,4-dioxy-5-méthylpyrimidine (T), la Cytosine ou 2,4 aminopyrimidine (C) et l'Uracile ou 2,4-dioxypyrimidine (U).



Dans l'ARN, la base T est remplacée par l'uracile (U).

Il est à noter que l'ADN végétal et animal contient des bases azotées méthylées, comme la 5-méthylcytosine, qui inhibent la transcription de l'ADN.

Chez les bactéries, la N6-méthyladénine empêche les enzymes de restriction de couper l'ADN bactérien lui-même.
De plus, certains types d'ARN (tels que l'ARN de transfert (ARNt) des bases inhabituelles (dérivés de bases), telles que la xanthine (2,6-oxypurine) et l'hypoxanthine (6-oxypurine).

Les formules chimiques des bases azotées révèlent deux propriétés importantes :
- l'ionisation des hétérocycles azotés et
- l'absorption des rayons ultraviolets (UV) résultant de la présence de doubles liaisons conjuguées. Les bases azotées ont des spectres d'absorption différents, mais la plupart se situent à une longueur d'onde de 260 nm.

Nucléosides et début d'édification des acides nucléiques

Les bases azotées sont liées aux sucres par l'azote (numéro 1 dans C, T et U ou numéro 9 dans A et G). Ainsi, ces bases liées au carbone numéro 1' du sucre pentose (liaison osidique N-β = liaison N-glycosidique car le OH du ribose est en position béta) forment des nucléosides:



Nucléotides, unités de base des acides nucléiques

Les nucléotides sont constitués de nucléosides et de 1 à 3 unités phosphate, comme illustré dans la figure suivante.



On distingue des nucleotides de types ARN (ribonucléotides) et des nucléotides à ADN (désoxyribonucléotides).

Les nucléosides sont divisés en nucléosides ribosomiques dans l'ARN et en désoxyribonucléosides dans l'ADN. Ces derniers sont représentés par l'ajout de la lettre d à leur nom simplifié (exemple dATP au lieu de ATP). Chaque catégorie comprend trois types : les nucléosides monophosphates, les nucléosides diphosphates et les nucléosides triphosphates, comme illustré dans le tableau suivant pour l'ARN et l'ADN.



Pour rappel, les ribonucléotides jouent un rôle important dans le transfert d'énergie (comme l'ATP, nucléotide à ARN) et la catalyse enzymatique, en tant que coenzymes.

Polynucléotides et formation d'acides nucléiques simple brin.

Les polynucléotides, et par conséquent les acides nucléiques, sont formés par la liaison de nucléotides entre eux par des liaisons phosphodiester. Outre la liaison à la base azotée par le carbone 1' (voir figure), le sucre pentose se lie également à un phosphate deux fois : d'abord avec le carbone 3', puis avec le carbone 5'. Ainsi, le phosphate forme un pont phosphodiester entre les deux atomes de sucre adjacents.


Les phosphates jouent un rôle important dans l'ionisation des acides nucléiques. Les ponts diesters phosphates ont une fonction acide avec une constante pKa comprise entre 1,5 et 2,0.

De nature, les acides nucléiques sont chargés négativement, grâce au phosphate.

Les séquences d'acides nucléiques se lisent de gauche à droite, dans le sens 5'-phosphate vers 3'-hydroxyle (5'->3'). C'est dans ce sens que les chaînes nucléotidiques sont utilisées comme molécules pour la transmission de l'information génétique par transcription et traduction.

Par convention, l'orientation des molécule d'ADN et d'ARN est donnée par la position 5' ou 3' des radicaux OH du désoxyribose. Le brin 5'-->3' est dit brin codon, car sa séquence correspond à celle de la protéine, malgrè qu'il n'est pas le brin sur lequel se fait la synthèse des transcrits.



Il existe plusieurs façons d'écrire des polynucléotides, toutes faisant référence au sens de lecture 5' vers 3', comme illustré dans le schéma suivant. Les polynucléotides forment de longues chaînes qui font partie de la structure des acides nucléiques, avec une extrémité, comme l'ARN, ou deux extrémités, comme l'ADN.



Appariements de bases azotées selon Watson et Crick et émergence des acides nucléiques double brin.

Les bases azotées sont appariées selon Watson et Crick : A et T ou A et U, selon l’ADN ou l’ARN, puis C et G.

Les bases azotées sont reliées par deux liaisons hydrogène lorsque A et T sont appariées dans l’ADN ou A et U dans l’ARN, et par trois liaisons lorsque C et G sont appariés dans l’ADN et l’ARN.

Le pourcentage de GC dans une molécule d’ADN donnée est calculé selon la division suivante :



Le pourcentage de GC varie selon les espèces et est élevé dans certaines régions des chromosomes, comme les télomères.

Les règles de Chargaff stipulent que l'ADN double brin de n'importe quelle cellule doit avoir un rapport de 1 pour 1 entre les bases puriques et les bases pyrimidiques (G = C et A = T). C'est la règle 1. Par conséquent, la somme des purines (A+G) est égale à la somme des pyrimidines (C+T), soit A + G = C + T
Cela signifie que A + T = C + G est une conséquence de la règle de Chargaff, car si A = T et G = C, alors A + G = C + T.
La règle 2 stipule que les deux égalités précédentes sont valables pour l'ADN simple brin.
Bien que G = C et A = T soient toujours vrai; les rapports (A+T)/(C+G) est en revanche caractéristique de l'espèce.
Dans un ADN double brin, la quantité de A+C et T+G ne sont pas nécessairement égales.

La présence de trois liaisons hydrogène (au lieu de deux) entre les bases C et G rend plus difficile la dénaturation des deux extrémités de l’ADN par chauffage. Par conséquent, la dénaturation de l’ADN riche en GC est plus difficile que celle de l’ADN riche en AT.

Effets hypochrome et hyperchrome des acides nucléique:La dénaturation de l'ADN conduit au démasquage des bases azotées qui vont absorber plus des rayons UV à 260 nm. Ce phénomène est appelé 'effet hyperchrome'.
Inversement le passage de la forme simple brin à la forme double brin, masque les bases azotées, d'où une absorption faible des UV à 260 nm. C'est l'effet hypochrome.


L'ADN est constitué de deux brins polynucléotidiques enroulés l'un autour de l'autre en double hélice.
Le sucre et le phosphate forment le squelette et la paroi externe de l'hélice,
tandis que les bases sont attachées aux deux brins au milieu. La figure ci-dessous illustre la double hélice de l'ADN et un exemple d'ARN, l'ARN de transfert (ARNt), qui joue un rôle essentiel dans la traduction de l'information génétique en protéines.



Les plans des bases azotées, qui s'empilent à l'intérieur de l'hélice sont perpendiculaires à l'axe de la double hélice.

L'ADN est la plus grosse molécule d'un organisme vivant. Son poids moléculaire varie de mille à 100 milles chez les virus et de 100 millions à 1 milliard chez les mammifères. Il a une structure d'une double hélice constituée de 2 monomères enroulé l'un autour de l'autre.

FORMES A, B et Z de l'ADN:

L'enroulement de l'ADN crée deux sillons: un sillon majeur (plus large et plus profond) et un sillon mineur (plus étroit et moins profond). La structure en sillons permet aux protéines de se lier à l'ADN.

L'hélice d'ADN la plus courante est de forme B. Cependant, l'ADN peut être sous formes A et Z:

Forme B: double hélice droite avec un sillon majeur et un sillon mineur. Elle a 10,5 paires de bases par tour. Cette forme, la plus courante, est plus stable et existe dans toutes les cellules.







Forme A: c'est une double hélice droite avec des paires de bases plus écartées qu'en forme B, en plus d'un sillon moins profond . Cette forme est plus courante lorsque les bases sont à humidité faible ( manque d'eau) avec une concentration élevée en ions.

Forme Z: c'est une double hélice gauche avec un zigzag apparent. Elle est rare; mais peut être présente dans des régions spécifiques de l'ADN ou dans des conditions particulières.

Le nombre de paires de bases par tour d'hélice : A: 11, B: 10,5 et Z: 12.

REPLICATION DE L'ADN
Lien: Réplication de l'ADN.

La réplication de l'ADN prend lieu au niveau de la fourche de réplication comprend un ensemble de processus précédant la réplication proprement dite ou intervenant après celle ci. Plusieurs enzymes y sont impliquées dont des:

- topoisomérases,
- hélicases,
- primases
- ADN polymérases et
- ligases.

La réplication commence au niveau des régions du génôme, appelées origines de réplication.
L'ADN ' bicaténaire est ouvert par des hélicases en deux simple bins. Les torsions engendrées sont éliminées par les topoisomérases.



Après stabilisation des deux brins et protéction contre les DNases, la synthèse de brins complémentaires commence après mise en place d'amorces RNA par la primase. En effet, la DNA polymérase n'arrive pas à commencer une chaîne. Elle ne peut que catalyser l'élongation d'une chaîne de nucléotides. C'est une RNA polymérase (primase) qui va commencer une chaîne d'acides nucléiques par un fragment de RNA de 4 à 12 nucléotides. Ce fragment d'RNA est appelé 'amorce'.
Les amorces RNA synthétisées sont ensuite allongées dans le sens 5' => 3' par la DNA polymérase. Cette fois c'est du DNA qui est ajouté.

La réplication de l'ADN est bidirectionnelle. C'est un processus où la réplication de l'ADN se produit dans les deux sens à partir d'un point d'origine, créant deux fourches de réplication qui se déplacent dans des directions opposées.

La réplication de l'ADN est semi-conservative: Il y'a séparation de l'ADN en deux brins lorsque la cellule va se diviser : chaque moitié va être utilisée comme une matrice, donc conservée, et une nouvelle molécule d’ADN va être synthétisée:
o Un brin est toujours conservé, à partir duquel un nouveau brin est synthétisé.
o Chaque brin sert de matrice pour le nouveau brin.

TRANSCRIPTION de L'ADN en ARN

Sources:
- Transcription de l'ADN en ARN.

La transcription (النسخ) correspond à un copiage du matériel génétique ADN (DNA) ou ARN (RNA) en ARN (RNA).
Chez les procaryotes une seule l'ARN polymérase - ADN dépendante (RNA polymerase) réalise la transcription pour tous les types d'ARN.

Cependant, chez les eucaryotes, trois ARN polymérases (ARN pol) interviennent :

1/ ARN pol I (ou A) pour les ARN ribosomiques (ARNr) transcrits dans le nucléole (28S, 18S et 5,8S),

2/ ARN pol II (ou B) pour ARN messager (ARNm) et

3/ ARN pol III (ou C) pour les ARN de transfert (ARNt) et d'autres petits ARN (tARN, rARN 5S, snARN).

Pour certains virus à ARN (rétrovirus), l'ARN est transcrit par une ARN pol-ARN dépendante appelée aussi réplicase.

Chez les eucaryotes, la transcription se déroule en deux étapes :

1/ formation d'un ARN prémessager et
2/ maturation du ARN prémessager pour donner un ou plusieurs ARNm. Ce dernier sera traduit en protéines.

- Formation de l'ARN prémessager

Le mARN (ARN messager, ARNm) provient d'un fragment d'ADN (gène de structure) par la transcription qui se déroule dans le noyau de la cellule chez les Eucaryotes et dans le cytoplasme pour les Procaryotes. La transcription peut prendre lieu dans les organites semi-autonomes comme les chloroplastes et les mitochondries qui contiennent une partie du matériel génétique. Elle est réalisée en présence d'enzymes spécifiques appelées ARN polymérases (RNA polymerases) et des nucléotides nécessaires à la synthèse d' ARN (RNA).



- - Initiation de la transcription

Seules les régions du ADN correspondant à des gènes subissent la transcription à des moments bien déterminés. Le promoteur assure cette fonction. Le promoteur correspond à une région non transcrite du ADN, généralement juste en amont du début de la région transcrite et dont la séquence permet le recrutement de l'ARNpol II.

Certaines séquences du promoteur (boites ou boxes) comme la boites TATA et CAAT sont importantes, car spécifiquement reconnues par différentes protéines appartenant au complexe d'initiation. Les boîtes sont souvent conservées. Néanmoins, il existe des promoteurs sans boite TATA.

- Complexe d'initiation = ARN polymerase + Facteurs spécifiques de transcription

Chez les eucaryotes, l' ARN pol II, accompagnée de plusieurs co-facteurs protéiques, reconnaît le promoteur proximal. Les facteurs (Transcription factor for ARN polymerase II, TFII) de ce complexe d'initiation sont notés TFIIA, TFIIB, ...

- Elongation

L'ARN pol II est derrière la synthèse d'un ARN prémessager complémentaire du brin du ADN matrice (brin antisens), donc identique au brin codant de l'ADN (brin sens) aux riboses et uraciles près. Le ARN prémessager est synthétisé dans la direction 5'-3'



- Terminaison

A l'aide de facteurs protéique de terminaison, l'ARN pol II reconnaît un ou plusieurs signaux de terminaison qui indiquent la fin de la transcription sur le brin d'ADN matrice (TTATTT par exemple). L'ARN prémessager est ensuite libéré.

2/ Formation des ARN messagers

Pour sa traduction en protéines, le transcrit (ARN prémessager, pré-ARNm) doit subir des modifications dans le nucléoplasme. Il existe trois grands types de modifications, catalysées chacune par des enzymes de nature protéique ou ribonucléique.

- Addition d'une coiffe protectrice en 5'

Elle consiste en l'addition d'un nucléotide à guanine sur l'extrémité 5'de l'ARN suivi de sa méthylation sur l'azote 7 de la base, ainsi que de la méthylation en 2' du ribose des un ou deux premiers nucléotides de l'ARN prémessager. Il en résulte que l'extrémité 5' du ARNm (mRNA) n'est pas porteuse des trois acides phosphoriques libres habituels, mais d'un GMP, ce qui limite la réactivité de cette extrémité et sa reconnaissance par les exonucléases (protection contre la dégradation). Cette modification est également nécessaire à l'exportation du ARNm (mRNA) vers le cytoplasme et à la liaison de ce dernier avec la petite sous-unité du ribosome lors de l'étape d'initiation de la traduction.

- Addition d'une queue polyA en 3'

La queue poly(A) confère de la stabilité au futur mARN. Elle se perd au fur et à mesure qu'il est traduit.



- Excision des introns et épissage (splicing) des exons

Un événement très important de la maturation du ARN appelé 'épissage de l'ARN' prend lieu chez les eucaryotes et les archébactéries où il existe des introns et des exons dans les ARN. Les exons (parties codantes) sont traduits en protéine, tandis que les introns, ne codant pas pour une protéine, sont excisés lors de l'épissage. Les exons sont ensuite ligaturés entre eux pour former le mARN mature qui code pour la protéine complète.

L'Epissage alternatif: selon les protéines réalisant l'épissage, on peut avoir différents épissages du ARN en effectuant un choix parmi plusieurs exons. On obtient une protéine dont une région peut être différente. Un gène permet ainsi de coder pour plusieurs protéines difféférentes.

TRADUCTION de L'ARN en PROTEINES

Sources:
- Traduction:
https://www.takween.com/traduction-rna-proteines.html

De l'ARN messager (ARNm, mRNA) aux Protéines. Traduction de l'information génétique

La traduction est l'interprétation des codons de l'ARN messager (ARNm, mRNA) en protéines (séquences d'acides aminés). La traduction s'effectuant dans le cytoplasme, nécessite des acides aminés qui seront polymérisés selon l'ordre déterminé par les codons du ARNm. Elle a besoin des ribosomes, des ARNt (tRNA), de la l'aminoacyl-ARNt synthétase (enzyme) et d'un plan apporté par l'ARN messager. Aussi, la traduction a besoin d'énergie. Par exemple, E.coli utilise 90% de son énergie pour la traduction !



Ribosomes

Les ribosomes sont des organites intra-cellulaires situés dans le cytoplasme. Ils constituent l'usine de fabrication des protéines. Chaque ribosome, procaryote ou eucaryote, consiste en une petite et un grande sous unité associées entre elles.
Chaque sous unité contient de nombreuses protéines différentes et une molécule d'ARN ribosomique (ARNr, rARN) majoritaire.

Comment les ribosomes sont ils synthétisés ?

Ribosomes = protéines ribosoales + ARN ribosomaux.
Les protéines ribosomales sont fabriquées dans le cytosol et importées dans le noyau où elles sont assemblées avec les ARN ribosomaux pour constituer les ribosomes qui seront exportés dans le cytosol.
Les sous-unités du ribosome possèdent 3 sites : A (aminoacyl-ARNt, position où le nouvel acide aminé prend place), P (peptidoacyl-ARNt, position où le peptide s'allonge) et E(exit). Le ribosome se déplace sur le ARNm dans le sens 5' vers 3'.



Codons portés par le ARNm

S'il existe 20 acides aminés différents dans les protéines et quatre bases nucléotidiques différentes dans le ARNm, on en déduit qu'il faut un enchaînement de trois bases pour définir l'ensemble des 20 acides aminés. Le codon est donc la succession de 3 nucléotides.



Le codon UGA (codon stop) peut parfois coder une sélénocystéine (acide aminé rare, s'abrègeant Sec pour le code à trois lettres et U pour le code à une lettre), produisant ainsi une sélénoprotéine.
Le nombre de codons est 4³ = 64.

Remarque:
Le code génétique utilisé dans les mitochondries d'animaux et de champignons diffère du code standard utilisé dans tous les gènes nucléaires procaryotes et eucaryotes. Le code génétique mitochondrial ainsi que la taille de l'ADNmt, le nombre et la nature des protéines qu'il code, varient fortement entre les organismes.



Un ARNm peut être décomposé en plusieurs régions dont:
- une région leader en 5' (appelée "capping" chez les eucaryotes). Elle est non codante (donc non traduite).
- un codon initiateur AUG. C'est le premier acide aminé (toujours Methionine)
- une région codante (suite de codons)
- un codon non sens (ou codon STOP) qui détermine la fin de la traduction
- une queue en 3' (polyadénylée chez les eucaryotes). Elle est non codante



Sur les 64 codons disponibles: 3 codons (UAA, UAG, UGA) sont des codons qui ne peuvent pas être traduits en acides aminés. Ce sont des codons appelés non sens ou codons stop qui provoquent l'arrêt de la traduction.

Code génétique dégénéré

61 codons codent pour 20 acides aminés. Le tryptophane et la méthionine sont codés par un seul codon. Les 18 autres acides aminés sont définis individuellement par plusieurs codons (2 à 6).

ARN de transfert (ARNt, tRNA)

Le tARN est la macromolécule qui réalise la traduction des codons en acides aminés. A chaque acide aminé correspond donc un sous ensemble de l'ARNt.



L'ARNt a une structure en 'L'. Une extrémité du L porte la séquence CCA-3', l'autre extrémité porte la séquence de l'anticodon.

La fixation d'un acide aminé sur l'extrémité CCA-3' de son tARN est possible grace à une enzyme
l'aminoacyl-tARN synthétase (tARN + A.aminé + ATP --> AminoacyltARN + AMP + 2 Pi).
Les ARNt agissent comme des adaptateurs, portant les acides aminés au ribosome et assurant leur incorporation correcte dans la protéine en croissance.
Les aminoacyl-ARNt synthétases sont spécifiques à la fois de l'acide aminé et de l'ARNt correspondant. La réaction se fait en deux étapes, impliquant l'activation de l'acide aminé avec de l'ATP, puis son transfert sur l'ARNt: tARN + A.aminé + ATP --> AminoacyltARN + AMP + 2 Pi.

La liaison ester entre un acide aminé (fonction COOH) et l'ARNt se forme à l'extrémité 3' de l'ARNt, au niveau du ribose (fonction OH) de l'adénine terminale (triplet receveur CCA-3'). Cette liaison est créée par une enzyme spécifique appelée aminoacyl-ARNt synthétase



L'initiation de la traduction commence par:

1/ Dissociation des sous-unités ribosomales et fixation de la petite sous-unité du ribosome (30 S) sur la région leader 5' du ARNm,

2/ Liaison de l'ARNt-initiateur, portant la méthionine (anticodon UAC), à la petite sous-unité ribosomale et se déplace le long de l'ARNm jusqu'au codon d'initiation (AUG). Contrairement aux procaryotes, chez les eucaryotes, la méthionine n'est pas formylée et l'ARNt initiateur (Met-ARNt i Met) se lie à la petite sous-unité ribosomique avant l'association avec l'ARNm (il se positionne sur la petite sous-unité et attend l'arrivée de l'ARNm).
L'initiation exige du GTP, du Mg++ et deux facteurs d'initiations (IF).
L'énergie nécessaire pour cette étape sous forme de guanosine triphosphate (GTP) est utilisée pour assembler le complexe d'initiation, qui comprend le ribosome, l'ARN messager (ARNm) et l'ARN de transfert initiateur (ARNt-initiateur) et

3/ Formation du complexe d'initiation: La grande sous-unité ribosomale (50 S) se lie à l'ensemble formé par la petite sous-unité, l'ARNt-initiateur et l'ARNm, formant le complexe d'initiation. Il y'a positionnement du tARN au site P.
L'étape d'initiation se termine quand le codon initiateur de la traduction (AUG) se lie à l'ARNt initiateur (ARNt initiateur porteur de l'acide aminé méthionine) et que les deux sous unités du ribosome se lient entre elles.

L'élongation nécessite 3 facteurs d'élongation (EF = Elongation Factor), du GTP et du Mg++. Elle comporte les étapes:

1/ Fixation du tARN chargé sur le site A du ribosome et

2/ Formation de la liaison peptidique et libération du site P. Elle est catalysée par la peptidyl transferase du rARN 23 S.

La terminaison nécessite un codon stop (UAA ou UAG ou UGA), des facteurs de terminaison (Facteur R, Release Factor). Elle consiste en trois étapes:

1/ Blocage de la translocation,

2/ Relargage de la chaine polypeptidique et

3/ Séparation des sous unités ribosomiques.







Le même filament de ARNm peut servir à la synthèse simultanée de plusieurs molécules de protéines, lorsque plusieurs ribosomes s'en occupent. Avant d'être détruite, cette molécule participe à la fabrication de 10 à 20 protéines. L'ensemble formé par un ARNm et plusieurs ribosomes se déplaçant dessus s'appelle un polysome

QCMs DE CONCOURS

TESTS NOTES et CORRIGES:

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