Organisation, Evolution et fonction du génome humain

Organisation, Evolution et fonction du génome humain
Constituants des nucléotides
Bases Azoté : pyrimidique et purique.
Ces bases pyrimidiques dérivent du noyau pyrimidine qui est un noyau hétérocycle
azoté (qui ne comporte pas que des molécules de carbone)
Si l’on remplace les hydrogènes **
Uracile : 2,4 Dioxypyrimidine
Il existe 2 formes tautomériques :
- Une forme céto
- Une forme énol
Au pH physiologique, c’est la forme céto qui prédomine.
Thymine : 5-méthyluracile
Cytosine : 2-oxy,4-aminopyrimidine
Fonction céto position 2 fonctions amine position 4 :
Il existe 2 formes tautomériques :
- Forme Amino
- Forme Imino
Au pH physiologique, c’est la forme amino qui l’emporte.
Cytosine et thymine représente les bases de l’ADN alors que Cytosine et Uracile sont les
bases de l’ARN
La déamination oxydative de la cytosine conduit à l’Uracile et cette réaction chimique est
catalysée par des désaminases, enzyme qui échange le radical amine contre une fonction
céto. (Pas particulier à la cytosine, toutes les bases comportant un groupement amine
peuvent être transformées par désamination oxydative)
Bases puriques :
Elles dérivent du noyau purine qui est un hétérocycle Azoté constitué de
l’accolement de 2 cycles azotés :
- Le cycle pyrimidine à 6 sommets, 2 atomes d’azotes
- Le cycle Imidazole à 5 sommets, 2 atomes d’azotes
Ce qui fait un total 4 atomes d’azote dans le noyau purique.
Connaître les deux structures !
Substitution de l’atome d’hydrogène par un autre radical donne Adénine et Guanine
Adénine : 6 amino-purine
Guanine : 2-amino,6-oxypurine
On peut décrire des formes tautomériques : formes Céto et Enol, au pH physiologique,
c’est la forme céto qui l’emporte.
Si c’était la forme Enol, cela peut donner naissance à des appareillement inhabituel et
ainsi être à l’origine de mutations.
Désamination oxydative :
Par désamination oxydative
- Adénine va aboutire à l’hypoxantine ( 6-oxypurine)
- Guanine donne de la Xantine (2,6-désoxypurine)
- Acide urique : 2,6,8-trioxypurine
Les nucléosides :
Un nucléoside résulte de l’association d’une base qui peut être purique ou
pyrimidique avec un pentose (Sucre à 5 atomes de carbones) sous forme furanose.
Ce sucre est le D-Ribose (=/= du désoxyribose).
2 cycles de pentoses sont différents, ils diffèrent par l’existence d’une fonction
alcool en 2’.
D-ribose présent dans les molécules d’ARN et D-désoxyribose dans les molécules d’ADN
La liaison entre la base et le pentose est une liaison covalente de type N-β-osidique entre
le C1’ du pentose et un atome d’azote qui sera N1 dans le cas des bases pyrimidiques et
N9 dans le cas des bases puriques.
Liaison β  situé au dessus du plan de l’ose
Dans les nucléotides naturel : 2 conformation
- Conformation SYN
- Conformation ANTI
Elles sont dues à la rotation de la liaison β-osidiques.
Les bases sont en conformation SYN ou ANTI par rapport à l’ose
Dans les Acides nucléiques en majorité c’est la forme ANTI qui est favorisée car son
encombrement est moindre
Schéma
Osine  bases purines
Idine  bases pyriques
L’uracile n’est présent que dans l’ARN et donc on ne le trouvera pas de façon naturelle
du désoxyuridine.
La thymidine elle est en majorité présente dans l’ADN mais le nucléotide thymidine
existe et on peut en trouver en petite quantité dans certains ARN de transfert.
Les nucléotides
C’est un composé qui résulte de l’estérification de la fonction alcool d’un
nucléoside par une molécule d’acide orthophosphorique . Un nucléotide est un ester
phosphorique de nucléoside.
Cette liaison ester se situe entre la fonction alcool primaire en 5’ du pentose et le résidu
OH du phosphate.
La fonction alcool en 3’ du pentose est engagée dans la chaine poly nucléotidique.
Le nucléotide est un nucléoside 5’ monophosphate. A pH physiologique il porte 2
charges négatives.
Comme les nucléosides les nucléotides suivent une organisation précise.
(Tableau)
L’acide désoxyuridylique n’existe pas naturellement, l’acide thymidyrique est rare, on
peut le trouver dans certains ARNt.
Les nucléotides sont des esters phosphate de nucléosides qui sont essentiels dans de
très nombreux processus.
Ces nucléotides sont :
- Des unités élémentaires de l’acide nucléique.
- Des transporteurs d’énergie. (ATP, GTP)
- Des transporteurs d’acide aminés.
- Des transporteurs d’oses.
- Des transporteurs de lipides.
- Des seconds messagers, constituants essentiels des voies de transduction.
(AMPc ou GMPc)
- Ils font partit de la structure de Coenzyme comme le NAD ou le FAD.
L’ATP agit comme un donneur de groupe phosphoryle transféré par les protéines
kinases.
Biosynthèse des nucléotides.
1° Quelques généralités :
- Il existe une étape commune de na biosynthèse des nucléotides puriques et
pyrimidiques. Cette étape est la synthèse du 5’-Phosphorybosyl-1’-pyrophosphate
(PRPP) réaction catalysée par une PRPP synthétase en présence d’ATP.
Le cycle furanose va se voir ajouter un pyrophosphate qui est apporté par l’ATP.
- Les voies impliquées dans le métabolisme des acides nucléiques sont régulées par
rétro inhibition pour s’ajuster au besoin cellulaire en énergie et en fonction de la
prolifération cellulaire.
Biosynthèse des novau des nucléotides pyrimidiques
Le cycle pyrimidique est en premier synthétisé puis attaché au ribose pour former un
nucléotide pyrimidique.
Etape de la synthèse :
- Synthèse du carbamylphosphate à partir u bicarbonate (HCO3-), de l’ATP et
de l’ammoniac (NH3), ammoniac apporté par la glutamine, ceci est fait par
une carbamyl phosphate synthétase 2.
- Le carbamylphosphate réagit avec l’aspartate pour former le carbamyl
aspartate réaction qui est catalysé par une aspartate trans carbamylase.
- Fermeture du noyau pyrimidine pour former le dihydroorotate avec au départ
une molécule d’eau, l’enzyme impliquée est une dihydroorotase.
-
-
La déshydrogénation du dihydroorotate par le NAD+ qui conduit à l’orotate,
c’est une étape mitochondriale.
L’orotate acquiert un cycle ribose du PRPP sous l’action d’une orotate
phosphoribosyle transférase pour donner l’orotidilate.Ajout du cycle ribose
pour donner l’orotidilate orotidyl-5’-monophosphate (orotate
monophosphate OMP)
L’orotidilate est ensuite décarboxylé en uritidilate par une orotidilate
décarboxylase.
L’UMP est ensuite phosphorylée par des kinases en UDP puis en UTP.
L’UTP est transformé en CTP par amination en C4 par la citidilate synthétase.
La formation des désoxynucléotides, c’est à dire la réduction du ribose en C2’ est
réalisée par la ribonucléotide réductase dans des réactions similaires pour les
nucléotides puriques ou pyrimidiques.
Une dernière étape est nécessaire pour créer le timidilate à partir de l’uracile :
- Désoxyuridilate est méthylé en désoxytimidilate (DTMP) par la timidilate
synthétase avec comme cofacteur un dérivé follate qui apporte le groupement
méthyle.
La sensibilité des cellules à l’inhibiton de la synthèse en dTMP a été exploitée en chimiothérapie. Le fluoro-uracile est convertit in vivo en fluoro-désoxyuridylate, qui inhibe de
façon irréversible la thymidylate synthétase. C’est un puissant anti-cancéreux.
Régulation de la synthèse des nucléotides pyrimidiques
Les deux premières enzymes de cette synthèse sont régulées par voie allostérique. La
carbamyl phosphate syunthétase 2 est inhibée par l’UTP et activé par le PRPP. La
deuxième enzyme, l’aspartate trans carbamylase est inhibée par le CTP et activée par
l’ATP.
Biosynthèse des novaux des nucléotides puriques.
Contrairement au cas des nucléotides pyrimidiques, dans la synthèse des novaux des
puriques, les bases puriques sont assemblées sur le cycle du glucose.
Dans la synthèse du noyau purine, l’azote en position 1 provient de l’aspartate, les
carbones 2 et 8 proviennent du formyl tétra hydropholate. Les atomes d’azote en
position 3 et 9 provienne t de la glutamine et enfin C4,C5 et N7 sont issus de la glycine.
Tout cela s’associe au niveau du ribose.
Le noyau purine se constitue en 10 étapes menant à l’IMP (inosine monophsophate)
inosinate.
- Synthèse du PRPP.
- Amidation du carbone 1’ du ribose sous l’action d’une PRPP glutamine amino
transférase pour donner le 5’ phosphoribosyl amine
- Aminosinate
- Adénylate est synthétisée à partir de l’IPM par l’addition d’aspartate qui
donne l’adényle-succinate. Le GTP et non pas l’ATP est le donneur du
groupement phosphoryle dans cette synthèse.Le guanilate est synthétisé par
l’oxydation de l’inositate en xantilate, suivi de l’incorporation d’un
groupement amine au cours de laquelle l’ATP sert de substrat. Pour pouvoir
participer à la synthèse des acides nucléiques, les nucléosides
monophosphates doivent être transformé en nucléosides triphosphates. Ceci
est réalisé par des kinases spécifiques de la base, on parle de nucléosides
mono phosphate kinase : UMP kinase, GMP kinase. Ces kinases spécifiques à
chaque base ne fait pas la différence entre le ribose et le désoxyribose.
- Régulation de la biosynthèse des nucléotides puriques. Le principal régulateur
de la biosynthèse est la concentration en PRPP qui dépend de la concentration
en ribose 5P et de l’activité de la PRPP synthétase, enzyme allostérique régulé
par la concentration en ribonucléotide pyrimidique mais surtout purique.
Cette biosynthèse est aussi régulée au niveau de la PRPP glutamine amino
transférase par rétro inhibition par l’IMP, l’AMP et le GMP. L’AMP ou le GMP
contrôlent leurs formations respectives. L’AMP contrôle l’adénylate succinate
synthétase et le GMP contrôle l’IMP déshydrogénase. Le GTP sert de substrat
dans la synthèse de l’AMP tandis que l’ATP est un substrat dans la synthèse du
GMP. Cette relation réciproque entre substrat tend à équilibrer la synthèse
des nucléotides adényliques et guaniliques.
- Les voies de récupération des nucléotides puriques et pyrimidiques et le
catabolisme :
o Les nucléotides puriques : Les bases puriques libérées par la
dégradations des acides nucléiques et des nucléotides peuvent êtres
récupérées et recyclées dans le foie et l’intestin grêle.
o Les voies de récupérations des purines sont remarquables par leur
économie d’énergie par rapport à la biosynthèse des novau
 Les 5’ nucléotidases catalysent l’hydrolyse des ribo et
désoxyribo nucléosides 5’ phosphates pour former des
nucléosides et libérer du phosphate inorganique
o La purine nucléoside phosphorylase permet la rupture des liaisons N
glucosidiques des nucléosides puriques , libère le ribose 1 phosphate
et la base purique
2 enzymes :
Adénylphosphorybosile transférase (APRTase)
Hypoxanthineguaninephosphorybolise transférase
Elles permettent la transformation de la base en nucléotide monophosphate en présence
de PRPP.
L’adénosine peut aussi être soit rephosphorylée par une adénosine kinase pour
redevenir AMP soit transformée en inosine par une adénosine désaminase. (ADA)
Autres enzymes importantes : Xanthine oxydase transforme l’hypoxanthine et la
guanine en xanthine puis en acide urique cet acide urique est excrété dans les urines.
Des taux élevés d’acide uriques sont à l’origine de la Goutte.
Nucléotides pyrimidiques
Il existe des voies de récupération de nucléotides pyrimidiques qui permettent
d’importantes économies d’énergie mais il n’existe pas d’accumulation de déchets
métaboliques.
Les polynucléotides
Ils sont lié entre eux par une liaison 3’,5’-phosphodiester, c’est à dire que les sous unités
sont liées de manière covalente par la formation d’un ester de phosphate entre le
groupement 3’ hydroxyle du résidu glucidique d’un nucléotide et le groupement
phosphate du nucléotide suivant. Il y à une charge négative au niveau de chaque liaison
phospho-diester et par contre 2 charges négatives à l’extrémité 5’ phosphate. Les deux
extrémités de la chaine sont reliées par l’extrémité 5’phosphate et 3’-OH et l’écriture de
l’ADN ou ARN suit une règle 5’ toujours à gauche 3’ toujours à droite.
L’ARN contient 4 bases on peut trouver exceptionnellement de la thymine mais aussi des
nucléosides ou des bases inhabituelles, en particulier des nucléosides méthylées. Ces
ARN sont des molécules mono caténaires contrairement à l’ADN, La chaine
nucléotidique unique peut cependant se replier sur elle même dans certaines régions en
formant des structures en épingle à cheveux. Cette structure secondaire est stabilisée
par des liaisons hydrogènes entres bases complémentaires GC ; A U
Dans certaines régions de ce double brin, les bases ne sont pas appareillées ou peuvent
donner lieux à des appariement imparfait comme GU avec cette fois ci une seule
liaison hydrogène.
Des boucles sont observées au niveau des nucléotides non appariés, ces boucles peuvent
être terminales ou non terminales.
L’ARN double brin des régions en épingles à cheveux, qu’il y ait ou pas des boucles peut
former des doubles hélices ou encore appelées des pseudos doubles hélices. Les ARN
peuvent adopter des structures encore plus complexes que Tiges-Boucles à l’origine
d’une structure secondo-tertiaire. Les ARN sont moins stables que les ADN vis à vis de
l’hydrolyse, ceci est du aux résidus hydroxine porté par le carbone en 2’ du ribose des
ARN qui augmente d’un facteur 100 le risque d’hydrolyse par rapport à l’ADN.
Il existe différents types d’ARN :
- ARN messager (codant) entre 1 et 2% de l’ARN total
- ARN ribosomique + de 80% de l’ARN total
- ARN de transfert : 15% de l’ARN total
Ils sont indispensable à la transcritpion et à la traduction.
A cote de ces 3 grandes classes d’ARN on va décrire des petites ARN non codants :
- ARN sn (small nuclear)
- ARN sno (small nucleolar)
Ils assurent la maturaiton des ANR messagers dans le noyau.
A coté de ça il y a des ARN ni qui sont des ARN de 21 à 25 nucléotides mais également
des siRNA ces ARN intéragissent avec leur cibles pour réguler la transcription et la
traduction
Enfin ARN de trans épicage.