H - Collège de France

Fondement de la chimie prébiotique
L’expérience de Miller (1953)
« Atmosphère
irradiée »
H2O, CH4
NH3, H2
…
« Océan chaud »
Acides,
Acides aminés,
Sucres,…
Stanley Miller
(1930-2007)
Origine hétérotrophe de la vie
Théories de l’évolution
L’ADN est un produit « tardif » de l’évolution
L’ADN existe avant O2
Fe2++ O2 → Fe3+
- 4,5
- 3,8 - 3,5(+/-)
Photosynthèse
procaryotes
Océans
Terre
Vie
ADN
O2 - 2,3
- 1,5
eucaryotes
- 1,2
Organismes
multicellulaires
Du monde à ARN au monde à ADN :
les ribonucléotide réductases
Marc Fontecave
Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux, Université Joseph Fourier, CNRS, CEA/DSV/iRTSV
CEA-Grenoble 17 rue des martyrs 38054 Grenoble cedex 9, France
[email protected]; Phone: (0033)438789103 ; Fax: (0033)438789124
Collège de France, 11 Place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05
Théories de l’évolution
L’ADN est un produit « tardif » de l’évolution
L’ADN existe avant O2
Le « monde à ADN » est précédé du « monde à ARN »
Fe2++ O2 → Fe3+
- 4,5
- 3,8 - 3,5(+/-)
Photosynthèse
procaryotes
Océans
Terre
Vie
ARN
ADN
O2 - 2,3
- 1,5
eucaryotes
- 1,2
Organismes
multicellulairesr
ARN
ADN
H3C
T
U
uridine
thymidine
Monde ARN
Information
génétique
ARN
ARN
catalyse
P. Forterre Biochimie 2005
Monde ARN-protéine
Information
génétique
ARN
ARN
protéine
protéine
catalyse
ARN
Théories de l’évolution
P. Forterre Biochimie 2005
Le « monde à ARN » précède « monde à ADN »
Stockage moléculaire de l’information génétique
(virus à ARN)
Auto-réplication par appariement de bases
Pouvoir catalytique
(ribozymes)
Questions:
-Ribose disponible ? (et pas désoxyribose?)
-Stabilité de l’ARN?
-Puissance catalytique ?
NH2
N
O
BASE
O
H
H
OH
O
P
H
H
O
O
H
P
BASE
H
H
O
H
OH
OH
H
OH
NH2
O
O-
N
OH
BAS
E
O
O
H
H
H
O-
O
H
H
O
H
H
O
BASE
O
O
O
N
HO
H
H
O
H
OH
H
N
HO
O
H
H
OH
H
H
H
O
Ribozymes
→ ribonucléase P
→ ribosome
→ introns auto-épissables
→ riboswitchs
→ spliceosome
→« hammerhead ribozyme »
S Altman, T Cech, Prix Nobel 1989
acide
base
Catalyse acide-base
Le « monde à ARN » précède le « monde à ADN »
Les précurseurs de l’ADN sont biosynthétisés
à partir des ribonucléotides correspondants
(P)PPO
Ribonucléotide
Réductase
o
N
(P)PPO
N
o
DNA
2'
3'
HO
OH
NDP
NTP
RNR
3'
2'
HO
H
dNDP
dNTP
H3C
Thymidylate
synthase
dUMP
dTMP
Théories de l’évolution
Le « monde ARN » précède le « monde ARN-protéine »
ARN nécéssaire à la synthèse des protéines
-ARNm (traduction)
-ARN de transfert (lecture du message)
- le ribosome est un ribozyme!
Le ribosome est un ribozyme
TA Steitz, Science 2000
Théories de l’évolution
Le « monde ARN » précède le « monde ARN-protéine »
ARN nécéssaire à la synthèse des protéines
-ARNm
-ARN de transfert
- le ribosome est un ribozyme!
Certains AA sont synthétisés à partir de ribonucléotides
purine
ribonucléotides
PRPP=phosphoribosylpyrophosphate
Théories de l’évolution
Le « monde ARN » précède le « monde ARN-protéine »
La plupart des cofacteurs/coenzymes protéiques sont
des « ribonucléotides » (reliques du monde « ARN-protéine »)
FAD
SAM
NADH
ATP
Théories de l’évolution
Le « monde ARN » précède le « monde ARN-protéine »
La plupart des cofacteurs/coenzymes protéiques sont
des « ribonucléotides » (reliques du monde « ARN-protéine »)
coenzymeA
AdoCbl
coenzymeB12
Monde ARN
Information
génétique
Monde ARN-protéine
Information
génétique
1. Des peptides simples ajoutés à des ribozymes
2. Atrophie progressive de la partie ARN
3. Conservation de certains cofacteurs ARN-peptide
ARN
ARN
ARN
ARN
Ribosome
catalyse
protéine
protéine
catalyse
Une relique du
monde ARN- protéine?
Monde ARN-protéine
Information
génétique
-ADN plus stable
-Réplication plus fidèle
-Réparation possible
(cytidine déamination)
Monde ADN
Information
génétique
ADN
ADN
ARN
ARN
ARN
ARN
BASE
O
H
H
O
H
OH
H
O
P
BASE
O
O
O
H
H
O
O
H
O-
H
P
O
BASE
O
O-
OH
O
H
H
O
H
OH
H
protéine
protéine
protéine
protéine
catalyse
catalyse
BAS
E
O
H
H
O
H
OH
H
Uracil-DNA glycosilase
Monde ARN-protéine
Information
génétique
Monde ADN
Information
génétique
-ADN plus stable
-Réplication plus fidèle
-Réparation possible
(cytidine déamination)
NH2
ADN
ADN
N
ARN
ARN
O
N
HO
O
ARN
ARN
H
H
OH
H
H
H
Ribonucléotide
Réductase
protéine
protéine
protéine
protéine
NH2
N
N
HO
O
catalyse
catalyse
H
H
OH
H
OH
H
O
La découverte de la ribonucléotide réductase
Peter Reichard
(P)PPO
o
N
(P)PPO
o
N
DNA
2'
3'
HO
OH
NDP
NTP
RNR
3'
2'
HO
H
dNDP
dNTP
(1925-)
1.Evidence d’une activité ribonucléotide réductase
Reichard P, Rutberg L. 1960. Biochim. Biophys. Acta 37:5.54-55
2. Régulation allostérique (ATP, dTTP,…)
Brown NC, Reichard P. 1969. 3. Mol. Biol. 46:39-55
3. Purification de la RNR de E. coli
Brown NC, Canellakis ZN, Lundin B, Reichard P, Thelander L. 1969. Eur. J.Biochem
4. La RNR est une enzyme radicalaire. Radical tyrosinyle
Ehrenberg A, Reichard P. 1972. J. Biol.Chem.247:.M.85-88
Larsson A, Sjöberg B-M. 1986. EMBO J. 5:2031-36
Radicaux libres
Le « dogme »: des espèces chimiques très réactives
incontrôlables et toxiques
incompatibles avec le vivant
stress oxydant: vieillissement, pathologies
E
.
X
( R3C°, HO°,..)
ADN, protéines, lipides, …
Stress oxydant
X-H
Réactions de X°: arrachement d’atomes H, coupure de liaisons, addition sur C insaturé,
couplage radicalaire..
X-X
X
.
X+
X-H
e-
X
.
H+
X
OH
AH
XX-
X-H + A°
Radicaux libres
Le « dogme »: des espèces chimiques très réactives
incontrôlables et toxiques
incompatibles avec le vivant
stress oxydant: vieillissement, pathologies
.
E
X
( R3C°, HO°,..)
ADN, protéines, lipides, …
Stress oxydant
X-H
Réactions de X°: arrachement d’atomes H, coupure de liaisons, addition sur C insaturé,
couplage radicalaire..
La réalité: des centaines de réactions biologiques « radicalaires » !!
X-H
enzyme
.
X
produit
Le cas des ribonucléotide réductases et des enzymes de la famille « Radical-SAM »
Une chimie difficile
NH2
NH2
N
N
N
HO
O
N
HO
O
O
H
H
OH
H
OH
H
H
H
OH
H
H
H
O
Désoxygénation radicalaire des alcools
Barton-McCombie (1975)
Robins (1981)
Bu3SnH/AIBN/∆
∆
PhO-CS-Cl
OH OH
OH O-CS-OPh
ROH
OH H
R-O-CS-OPh
AIBN
C-CN + Bu3SnH
Bu3Sn
+ R-O-CS-OPh
∆
RH
C-CN
Bu3Sn
R-O-C-OPh
S-SnBu3
R + Bu3SnH
RH + Bu3Sn
R
S
SH
E
E
inactive
(P)PPO
active
(P)PPO
O
H2 O
(P)PPO
O
O
ADN
OH
OH
OH
OH
H
deoxyribonucleotide
SH
ribonucleotide
OH
2 e-
E
La chimie
des
ribonucléotide réductases
O2
AdoCbl
Du monde à ARN au monde à ADN :
les ribonucléotide réductases
Marc Fontecave
Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux, Université Joseph Fourier, CNRS, CEA/DSV/iRTSV
CEA-Grenoble 17 rue des martyrs 38054 Grenoble cedex 9, France
[email protected]; Phone: (0033)438789103 ; Fax: (0033)438789124
Collège de France, 11 Place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05