Les acides nucléiques : structure et fonction

Les acides nucléiques : structure et fonction
Acide nucléique = ADN - ARN. Il s’agit d’une macromolécule formée par polymérisation de nucléotide. Il
comporte 2 messages.
Le message intrinsèque nécessite un codage à 3 bases pour passer à un codage en protéine. Dans les cellules il
existe des ARN qui ne sont pas traduit, ils sont essentiels à la cellule. Toutes les cellules contenant les 2 gènes
X en ont un qui fonctionne alors que l’autre non.
Pour le message extrinsèque, il existe un promoteur qui est le lieu de fixation d’une protéine qui inhibera ou
activera l’expression d’un gène. Le promoteur n’est jamais transcrit car il est le siège entre la protéine et l’ADN.
L’ADN est une molécule souple qui constitue le matériel génétique de la cellule. Les erreurs permettent
l’évolution des organismes. Le matériel génétique d’une cellule vivante doit détenir l’information génétique
propre à l’espèce, pouvoir se reproduire avec le moins d’erreurs possibles, pouvoir se modifier et être traduit en
caractéristiques physiques.
Nucléotide :
Il s’agit d’un nucléoside phosphaté. Il peut être mono, di ou tri phosphaté.
Poly p.3
Nucléoside :
Il s’agit de l’association entre une base azotée (adénine, cytosine, thymine, uracile, guanine) et l’anomère β du
ribose (ARN  ribonucléoside)) ou du désoxyribose (ADN  désoxyribonucléoside). Ils sont reliés par une
liaison N-glycosidique autour de laquelle les bases peuvent tourner, il existe donc 2 conformations : syn. (base
et sucre l’un au dessus de l’autre) et anti. Dans l’ADN, on trouve la conformation anti.
Nomenclature : on ajoute OSINE aux bases purines (adénine et guanine), IDINE aux bases pyrimidines
(thymine, uracile, cytosine)
Poly p.2
Phosphate : il pourra se lier à une fonction alcool OH pour donner une liaison phosphoester.
Par des études de diffraction aux rayons X, on constate que l’ADN est une molécule double brin antiparallèle
(la parallèle n’étant pas sable) avec une structure en hélice régulière d’un pas de 3,4 nm et de 2nm de diamètre.
Phosphate réalise des expériences de séparation des 2 brins d’ADN en nucléotides et constate qu’il y a autant de
base A que T et autant de base C que G. Selon les espèces, le nombre de nucléotide A ou C diffère. Les 2 brins
sont associés par des liaisons hydrogènes entre les bases complémentaires.
Poly p.5 et 6
Le brin d’ADN est orienté grâce à la liaison phosphodiester de 3’OH vers 5’P. Les bases n’interviennent pas
dans la liaison phosphodiester car elles ne sont là que pour maintenir la structure.
Il n’existe pas de colinéarité entre les sucres et les bases ainsi l’ADN comporte des grands et des petits sillons.
Pour le ribose, il existe 2 conformations : C2 endo et C3 endo. Dans la conformation C2 endo, la distance entre

le phosphate et le squelette phosphocarboné est plus grande. C’est la conformation la plus étendue, c’est celle
du B-ADN.
Il existe une forme A-ADN, où on trouve la conformation C3 endo, qui est plus large avec les bases azotées
inclinées. Les grands sillons sont très profonds et étroits ce qui ne permet pas d’accès aux bases. Il existe
également une forme Z.
A B Z
La structure en double hélice est maintenue grâce aux liaisons hydrogènes entre les bases d’une part mais aussi
grâce aux forces d’empilement hydrophobes entre les bases. L’ADN et l’ARN sont très souples donc on peut
trouver in vivo des triple hélice et in vitro on arrive à créer des hélices quadruplex.
Tautomérie :
Chacune des bases existent sous 2 formes appelées tautomères qui sont en équilibre : énol ou cétone. Dans
l’ADN se trouve la forme cétone. Cependant lors de la réplication, un nucléotide porteur de la forme énol peut
être incorporé modifiant ainsi les règles appariement : la forme énol de la thymine peut s’apparier avec la forme
cétone de la guanine et inversement)
Poly p. 24 et 2
On obtiendra finalement un mésappariement qui sera à l’origine d’une mutation s’il n’y a pas de réparation.
Méthylation :
Les gènes actifs chez les vertébrés sont situés dans des zones sous-méthylés de l’ADN. L’absence de
méthylation ou la déméthylation est nécessaire pour l’activité de certains gènes. Une méthyl-transférase
spécifique catalyse la méthylation de la cytosine en 5- méthylcytosine au niveau de la séquence CG répétée. La
méthylation inhibe la transcription. La méthylation est un phénomène essentielle à la régulation de l’expression
génétique : une modification anormale de la méthylation est associée à la plupart des pathologies humaines.

ADN : support de l’information génétique des bactéries (ADN double brin circulaire), des eucaryotes (on le
trouve dans les chloroplastes, mitochondries où il est en double brin circulaire et dans le noyau où il est en
double brin linéaire), des phages. Molécule stable. Dénaturation par l’urée ou la formamide.
ARN : support de l’information génétique de virus et de phages. Les ARN positifs sont traduits en protéines.
L’ARN ribosomal possède 2 sous unités : 18 S et 28 S. Les ARN sa sont minoritaires quantitativement mais pas
qualitativement. Molécule très instable et fragile. Intermédiaire entre le support génétique et la protéine.
L’ARN double brin est sous forme B. Il est très souple et cherche toujours à se mettre sous la forme la plus
stable. Le sucre est le ribose qui le fragilise et le rend instable  facilement dégradable car il doit être
rapidement renouvelé. La base azotée T de l’ADN est remplacée par la U dans l’ARN car au cours de la
désamination de C on obtient T et U, seulement il existe un système de réparation au niveau de l’ADN.
Propriété physico-chimique :
ARN en pH alcalin  hydrolyse.
ADN double brin n’a pas de fluorescence plus importante que l’ADN monobrin. A 260 nm, l’ADN monobrin
absorbe 12-40% plus de lumière que l’ADN double brin car l’empilage d’interaction entre les bases
complémentaires réduit l’absorbance de UV.
Hybridation moléculaire :
Dénaturation : séparation de 2 brins par rupture des liaisons hydrogènes.
Dégradation : rupture des liaisons phosphodiester et génération de base libre.
Tm est la température à laquelle 50% de l’ADN est dénaturé. Tm peut être influencé par la composition en base
(C et G sont plus difficile à dénaturer). Le nombre de mésappariement influe sur le Tm. De même plus la force
ionique est élevée, plus Tm augmente. Na Cl stabilise la double hélice. Moins il y a de formamide, plus Tm
augmente. Quand l’ADN possède moins de 18 bases : Tm = 2 (nB (A+T)) + 4 (nB (C+G))

La réaction d’hybridation est réversible. La réaction de renaturation est d’autant plus lente que l’ADN est long
et complexe. De même des séquences répétées se renaturent plus rapidement. On peut également utiliser une
dénaturation chimique.
Hybridation moléculaire : association par reconnaissance de base de 2 molécules d’acide nucléique. Les 2
séquences peuvent être totalement complémentaire, on parle d’hybridation homologue et il n’y a alors pas de
mésappariement et la séquence est alors stable.
On peut également avoir des séquences partiellement complémentaires, l’hybridation est alors hétérologue et il
peut y avoir des mésappariements dans la séquence qui est alors instable.
Les hybrides ARN : ARN sont plus stable que ADN : ARN et que ADN : ADN (on utilise le Tm -25°C).
Stringence :
Elle définit les conditions physico-chimiques d’une hybridation. Une forte stringence (forte température, faible
salinité, 10% formamide) permet une hybridation entre des molécules très homologues et une faible stringence
(faible température, forte salinité, 0% formamide) permet une hybridation entre des molécules peu homologues.
Les outils de la biologie moléculaires :
L’ADN est chargé négativement par les phosphates, il migre donc vers le pole positif. Il y a proportionnalité
entre la distance de migration et la taille de l’ADN. On utilise le BET pour le colorer. Pour analyser un ADN de
petite taille, on utilise aussi du gel d’acrylamide. Son avantage est d’avoir une grande échelle. Avec cette
méthode on ne fait pas de southern.
Les enzymes de restrictions :
Ce sont des endo nucléases qui sont produites par les bactéries pour se protéger des molécules d’ADN de
bactéries parasitées par des phages. Une nucléase catalyse l’hydrolyse des liaisons phosphodiesters. Une endo
nucléase coupe au milieu alors qu’une exo nucléase coupe à partir du coté. Les enzymes de restriction endo
nucléase coupe au palindrome (les 2 brins complémentaires ont une séquence 5’P 3’OH identiques).
L’enzyme de modification empêche l’enzyme de restriction de couper l’ADN. Chaque bactérie a son propre site
de restriction. Il existe 3 types d’enzyme de restriction.
Système de type 2 : ce sont les plus simples du point de vue action et génétique. Il existe 2 protéines différentes :
endo nucléase qui agit sous forme d’homo dimère et la méthylase qui agit sous forme monomérique.
Les enzymes de restrictions coupent uniquement l’ADN double brin. Pour couper il existe 2 possibilités. Toutes
les enzymes de restrictions génèrent la 2e possibilité où on a 3’OH et 5’P. On peut obtenir une extrémité
cohésive (possibilité de s’hybrider à nouveau et de reformer le site) ou une extrémité franche (il n’y a pas de
cohésion avec les 2 morceaux)

Ils existent des enzymes qui reconnaissent la même séquence mais qui ne coupent pas aux mêmes endroits :
isoschisomère. On peut hybrider 2 bouts d’ADN différents qui sont portés par des molécules différentes 
molécule d’ADN hybridée. On peut hybrider 2 bouts d’ADN qui ont été digérés par 2 enzymes différentes.
Après hybridation il y a plus de site de reconnaissance. Il faut savoir de quelle espèce provient l’ADN pour
savoir quelle enzyme utilisée.
Chez E.Coli, il existe 2 méthylase :
- Dam méthylase reconnaît GATC et méthyle le A
- Dcm méthylase reconnaît CCWCC et méthyle le dernier C (W = A ou T)
Bcl I est sensible à la méthylation, ainsi il ne coupe pas l’ADN quand il est méthylé.
L’ADN circulaire à une forme compacte et migre donc rapidement par rapport à un ADN de même taille
linéaire. Lors de la digestion, l’ADN circulaire devient linéaire.
Electrophorèse :
Il faut regarder l’intensité de bande. Les petites bandes moins colorées pour le cas où il y a moins d’ADN. Dans
une bande, il y a une accumulation d’ADN de même poids. Il faut toujours avoir un témoin. Attention car le
nombre de bande ne correspond pas toujours au nombre de sites. On peut avoir des bandes de petites tailles plus
intenses que les bandes de grandes tailles car toutes les molécules d’ADN dans le petit fragment ne sont pas
identiques.
Les enzymes de modifications :
La majorité des ADN polymérases utilisées proviennent de E.Coli. On utilise les ADN polymérases I qui sont
incapables de polymériser un ADN car elles ont besoin d’une extrémité 3’OH et d’une amorce. Le sens est de
5’  3’.
Processivité : nombre de nucléotide incorporé avant que ADN pol. se détache
Distributivité : elles font généralement 200 à 300 nucléotide avant de changer de brin matrice. Pour la
réplication, on utilise des ADN polymérase processive et pour réparer l’ADN, on utilise des ADN polymérase
distributive. Pour éliminer les bases non appropriées il y a un système de relecture par l’activité exo nucléase 3’
 5’ de l’enzyme.
La terminal désoxynucléotidyl transférase ne copie pas de matrice.
La réverse transcriptase transcrit l’ARN en ADN. Elle nécessite une amorce et on obtiendra un hybride ARN :
ADN.
Fabrication d’un ADN complémentaire : conversion d’un ARNm en ADN double brin.
La ligase agit à l’inverse de la nucléase, elle forme des liaisons phosphodiesters.
L’exo nucléase III nécessite une extrémité 3’OH qui doit être appariée pour son fonctionnement et non un 3’
sortie sinon elle ne fonctionne pas.
La phosphatase élimine les phosphates en 5’.