BioGen 05 6 dias Fichier - Moodle

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Les acides nucléiques :
Les acides nucléiques
- polymères de nucléotides : polynucléotides
- présents dans toutes les cellules vivantes, et les virus
- libres ou associés à des protéines
- support de l’information génétique ou agents permettant
l’expression de cette information
Rem : les nucléotides jouent aussi un rôle dans le stockage
de l’énergie (ATP) ou en tant que co-enzymes (NAD+, FAD, ...)
Chaque nucléotide peut être hydrolysé en 3 constituants :
nucléotide
Selon le type de pentose on distingue 2 types d’acides nucléiques :
Les acides désoxyribonucléiques (ADN ou DNA) : le pentose
est du 2-désoxy-β-D-ribofuranose
Constituant des chromosomes
(dans le noyau chez eucaryotes)
Dans les organites (mitochondrie...)
Dans les virus
Les acides ribonucléiques (ARN ou RNA) : le pentose est du
β-D-ribofuranose
Dans le noyau et le cytoplasme
Dans les organites (mitochondrie...)
Dans les virus
Bases puriques
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• Base hétérocyclique azotée
• Pentose
• Acide phosphorique
Les bases azotées : il existe deux types de bases
• Bases puriques ou purines substituées
Elément de départ = purine
• Bases pyrimidiques ou pyrimidines substituées
Elément de départ = pyrimidine
Bases pyrimidiques
1
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Bases puriques mineures (rares)
Il en existe
50
Bases pyrimidiques mineures (rares)
Exemples : dérivés de la cytosine (C)
Exemples : dérivés de la guanine (G)
Nucléosides
Tautomérisme des bases : présence de deux tautomères
Nucléoside = base azotée + ribose (ou désoxyribose)
Liaisons :
bases puriques : azote 9
bases pyrimidiques : azote 1
Carbone 1’ du pentose
Réaction de tautomérisation :
- migration atome d’H
- migration de la double liaison
Forme commune au
pH physiologique
Importance de t C, pH, solvant
Nomenclature des principaux nucléosides
Nucléosides monophosphates
Nucléotide = nucléoside + phosphate = base + pentose + phosphate
4
1
4
1
Ribonucléotides (ribose)
Désoxyribonucléotides (désoxyribose)
OH
Base
Ribonucléoside
Désoxyribonucléoside
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Adénosine
Guanosine
Uridine
Cytidine
Thymine ribonucléoside
ou ribothymidine (rare)
Désoxyadénosine
Désoxyguanosine
Désoxyuridine
Désoxycytidine
Désoxythymidine
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Nucléoside monophosphate
Désoxyguanosine 5’-monophosphate (dGMP)
cAMP
Un O manque
(erreur p.136)
Pas dans l’ARN!
correct
Nomenclature des principaux nucléosides-monophosphates
(isomères 5’)
Base
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Ribonucléoside 5’-monophosphate
Adénosine 5’-monophosphate = AMP
Guanosine 5’-monophosphate = GMP
Uridine 5’-monophosphate = UMP
Cytidine 5’-monophosphate = CMP
Thymine ribonucléoside 5’-monophosphate (rare)
Base
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Désoxyribonucléoside 5’-monophosphate
Désoxyadénosine 5’-monophosphate = dAMP
Désoxyguanosine 5’-monophosphate = dGMP
Désoxyuridine 5’-monophosphate = dUMP
Désoxycytidine 5’-monophosphate = dCMP
Désoxythymidine 5’-monophosphate = dTMP
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Adénosine 3’, 5’ monophosphate cyclique : cAMP
Messager.
Important dans divers mécanismes de régulation.
Il existe aussi du cGMP.
Nucléosides di- et tri-phosphates
Adénosine 5’-diphosphate
(ADP)
Adénosine 5’-triphosphate
(ATP)
3
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Guanosine 5’-triphosphate
(GTP)
Désoxyadénosine 5’-triphosphate
O
Structure primaire des acides nucléiques
O
-O
Dans l’ADN et l’ARN les nucléotides sont reliés par des
liaisons 3’-5’ phosphodiester. Polymère de nucléotides.
Liaisons 3’-5’
phosphodiester
P
O
5’
N
CH2
N
-O
NH
N
G
NH2
O
O
-O
P=O
O
H
O
H3 C
5’-GTC-3’
T
NH
O
O
N
CH2
O
O
-O
P=O
O
H
NH2
Triribonucléotide
C
NH
O
N
CH2
O
O
3’
OH O
H
Représentation schématique des nucléosides
base
base
3’
2’
3’
P
P
OH
OH
OH
5’
Structure d’une chaîne nucléotidique d’ADN
P
P
base
base
base
3’
3’
3’
P
P
5’
5’
Désoxyribonucléoside
Ribonucléoside
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base
3’
P
5’
base
3’
P
5’
P
5’
OH
5’
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Grande importance de l’ordre des bases :
La séquence des bases = structure primaire
Structure secondaire des acides nucléiques
Cas de l’ADN
Chaînes polyribonucléotidiques :
ADN : ...ATCGAATTGGTAC...
Les analyses d’ADN extrait des cellules montrent :
ARN : ...AGUCCAUUGGCAU...
- Il y a autant d’adénine (A) que de thymine (T)
- Il y a autant de guanine (G) que de cytosine (C)
La séquence est caractéristique d’un acide nucléique
A
=1
T
C’est dans la séquence des bases que réside
l’information génétique.
Les chaînes peuvent être très longues :
Escherichia coli : chaîne de 4 640 000 bases
Femme : 3 177 000 000 bases (3 177 Mpb); homme : 3 079 000 000
Rosalind Franklin
(1920 - 1958)
Maurice Wilkins
(1916 - 2004)
G
=1
C
- Le rapport
A+G = C+T
A+T
varie beaucoup d’une espèce à l’autre
G+C
- La diffraction des rayons X suggère une structure hélicoïdale
Description de la structure secondaire de l’ADN en 1953
Etudes de l’ADN par diffraction X
« Photo 51 »
(1952)
• La molécule d’ADN est faite de deux chaînes
polydésoxyribonucléotidiques enroulées pour former une
double hélice. L’ADN est double-brin.
James D. Watson
(1928 - )
Francis Crick
(1916 - 2004)
Prix Nobel en 1962 (avec Wilkins)
Les atomes des bases forment
des plans // les uns aux autres,
à l’axe de la double hélice.
10 plans par tour
3,4 Å
L’ADN forme
généralement une
hélice dextrogyre
(tournant vers la doite)
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34 Å
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• La double hélice à un diamètre uniforme (structure R.X.)
Chaque plan est formé de deux bases : une appartenant
à la chaîne 1, l’autre à la chaîne 2. Ces bases sont liées
par des liaisons H :
• Les bases sont localisées entre les deux chaînes de
pentose-phosphate
• Purines : 2 cycles
Pyrimidines : 1 cycle
Il n’y a de place que pour 3 cycles
Toujours une purine en face d’une pyrimidine.
G
Toutes les combinaisons ne sont pas possibles
C
G et C sont des bases
complémentaires
G
=1
C
Les deux chaînes sont antiparallèles :
A=T
A et T sont des bases
complémentaires
A
=1
T
Les deux chaînes sont complémentaires (et non pas identiques)
3’-ATCCGTTACCGAATTACGATACGTA-5’
5’-TAGGCAATGGCTTAATGCTATGCAT-3’
La configuration bicaténaire hélicoïdale est une caractéristique
générale des ADN et le modèle de Crick et Watson est valable
pour les virus, les bactéries, les végétaux et les animaux.
La séquence des bases d’une des chaînes détermine
automatiquement la séquence des bases de l’autre chaîne.
Les deux chaînes sont complémentaires (et non pas identiques)
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La structure de l’ADN est universelle
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Structure secondaire des acides nucléiques
Cas de l’ARN
- L’ARN est généralement simple brin.
- Il peut adopter une conformation 3D ou des zones double-brin
se forment alors que d’autres régions restent simple-brin.
- Les chaînes de ribonucléotides sont beaucoup plus courtes.
Il existe plusieurs sortes d’ARN :
- ARN ribosomial :
- ARN messager :
- ARN de transfert :
- petits ARN :
ARN ribosomial (5S)
rRNA
mRNA
tRNA
pRNA (snRNA, scRNA, ... )
ARN de transfert
zones simple-brin
zones double-brin
L’information génétique portée par l’ADN peut être modifiée :
A. Mutation : changement stable et héréditaire qui intervient au
niveau d’une paire de base. Effets souvent limités. Production de
mutants.
Les mutations peuvent être spontanées ou induites (facteurs
chimiques, physiques, biologiques).
B. Recombinaison génétique
Combinaison de deux brins d’ADN pour former un brin d’ADN
hybride. Effets souvent importants.
• Recombinaison homologue : les brins d’ADN ont
séquence.
la même
• Recombinaison spécialisée : les brins d’ADN ont des séquences
différentes.
Voir plus loin.
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Mutation et recombinaison, sont
les moteurs de l’évolution!
Voir plus loin.
Découverte du rôle génétique de l’ADN
1928 : expérience de Frederik Griffith (découverte de la
transformation bactérienne) avec la bactérie Streptococcus
pneumoniae. Cause la pneumonie chez les Mammifères.
1879-1941
Streptococcus pneumoniae
Bacteria
Phyl. Firmicutes
Le pneumocoque
méningites, otites, pneumonies, sinusites, etc.
Deux souches de S. pneumoniae ont été isolées par Griffith :
= Deux phénotypes
S. pneumoniae virulentes (souche S, smooth) : capsule présente
S. pneumoniae non-virulentes (souche R, rough) : pas de capsule
R
S tuées
(chaleur)
S tuées
(chaleur)
+R
S
S
Mort souris
R
Souris vivante
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Souris vivante
Souris morte
Et bactéries S vivantes
dans le sang.
Conclusion : « quelque-chose » provenant des S à transformé
les souches R. La virulence a été transférée aux bactéries R.
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1944 : expérience de Avery, MacLeod et MacCarty
Conclusions de Griffith :
• Il existe une information qui « code » pour le caractère
« virulence ».
• Cette information peut être transmise entre deux souches de
bactéries.
• Une cellule morte ne peut pas exprimer cette information.
• Cette information n’est probablement pas d’origine protéique
car il y a eu dénaturation par la chaleur.
La transformation bactérienne
Démonstration qu’il y avait eu transfert génétique (d'ADN) dans
l’expérience de Griffith. Appellent le processus « transformation ».
Démontrent par des études biochimiques que :
(1) la transformation peut avoir lieu dans un tube à essai (in vitro),
(2) un extrait de bactéries S, sans les bactéries, peut induire la
transformation des cellules R in vitro;
(3) Utilisation de nucléases et de protéases : la fraction active des
extraits est de l’ADN.
Conclusion : c’est l’ADN qui « code » pour les caractéristiques
d’une cellule, dans le cas présent la virulence.
L’ADN code également les caractéristiques génétiques d’autres
systèmes : les virus.
ADN souches S
Le phage T2 infecte la bactérie Escherichia coli (E. coli)
1952. Expérience de Alfred Hershey et Martha Chase.
Expériences sur le phage T2 avec du 32 P et 35 S.
R
R
=S
Virus
Escherichia coli (E. coli)
Bacteria
Phyl. Proteobacteria
Bactéries commensale
du TD humain
Modèle en génétique
Le colibacille
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Eléments génétique (ADN ou ARN) se répliquant
indépendamment du chromosome dans une cellule hôte et
qui présente une forme extracellulaire (≠ plasmides).
Nécéssité de pénétrer dans une
cellule hôte : infection.
Exploitation machinerie métabolique
cellule hôte.
Infectent tous types
d’organismes cellulaires.
Forme extracellulaire :
acides nucléiques entourés
de protéines (capside) = virion
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Taille des virus
Cellule eucaryote
Grande importance écologique des virus
Seraient plus nombreux sur Terre que les bactéries :
5-750 µm
10 8 virions / mL d’eau de mer.
Cellule procaryote
L : 1-5 µm
l:
1 µm
[Wommack & Colwell 2000 Microbiol Molec Rec 64:69-114]
10 8 virions / g sédiments marins ou de sol
- Importance dans le cycle du C : lyse de cellules
- Affectent toute la biodiversité
- Importance dans transfert latéral de gènes (entre espèces = ou ≠).
Virus
20-300 nm
Noyau
1µm
1000 nm
Génomes viraux
Structure des virus
≠ tailles
Génomes à ADN, à ARN, ou les deux (mais à des moments ≠).
≠ morphologies
≠ compositions
Génome simple brin ou double brin
Acides nucléiques entourés d’une capside protéique
La capside est composée de capsomères
Virus nu :
capside + acides nucléiques
= nucléocapside
capside
enzymes
virales
Un capsomère = un
type ou plusieurs types de
capsomères
monomères.
Autoassemblage.
acide nucléique
(ADN ou ARN)
Génome linéaire ou circulaire
Classification selon l’hôte infecté : animaux, végétaux, bactéries.
Virus de bactéries = bactériophages (ou phages)
« mangeurs de bactéries »
(chez Bactéries et Archées)
Génomes très petits : ne codent que pour quelques fonctions.
Pour leur réplication, dépendent totalement de la cellule hôte; de
même, pour la transcription et la traduction (emploi ribosomes de
l’hôte).
Symétrie des virus
Symétrie hélicoïdale (cylindres) et/ou icosaédrique
Symétrie hélicoïdale :
Virus de la mosaïque du tabac (TMV) : virus à ARN dont
les 2130 capsomères sont arrangés en hélice.
Mesure 18 x 300 nm. La longeur dépend de la longueur de
l’acide nucléique.
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TMV = tobacco Mosaic Virus
20 faces
Symétrie icosaédrique
(triangles
équilatéraux)
12 coins
30 arêtes
Nombre minimum de capsomères : 12.
Ensuite : 32, 42, 72, 92, 162, 252, 362, 492, 642 et 812.
Les capsomères des coins sont pentamériques,
les autres sont hexamériques.
Exemple de virus avec membrane plasmique
Virus enveloppés
Nucléocapside entourée d’une membrane
Essentiellement chez les virus d’animaux (ex : Influenzavirus)
Bicouche lipidique avec glycoprotéines (= récepteurs, fixation
sur cellules hôtes spécifiques)
Les lipides proviennent des lipides de l’hôte.
Les protéines sont codées par le virus.
Importance pour l’infection et la pénétration du virus.
- Avantages : protection contre enzymes et composés chimiques
- Désavantages : plus fragiles dans l’environnement extérieur
(sensibilité à la dessication, aux détergents).
Rétrovirus
Virus complexes : infectent bactéries
Tête icosaédrique + queue hélicoïdale
Ex : bactériophage T4 d’E. coli.
Fibres caudales
crochets de queue
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Le virus de la grippe
8 segments
d’ARN
simple brin
dans
une capside
hélicoïdale
H
N
H1N1
Influenza virus A
L’enveloppe virale des virus enveloppés provient de la cellule hôte
Virus grippal Influenza A
Hémagglutinine : glycoprotéine ! entrée dans la cellule
(capable d’agglomérer des érythrocytes). Pour le virus de
la grippe, existence de 16 types (H1 à H16). Reconnait des
résidus acide sialique.
Neuraminidase : glycoprotéine ! clive les liaisons entre
résidus acide sialique. Pour le virus de la grippe, existence de
9 types (N1 à N9).
Bourgeonnement de virions
Bourgeonnement de virions
Photographie au microscope
électronique à transmission
(MET)
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1952. Expérience de Alfred Hershey et Martha Chase.
Expériences sur le phage T2 avec du 32 P et 35 S.
Phages T2 marqués au 32 P
(ADN marqué, pas les protéines)
Le phage T2 s’attache à E. coli et injecte « quelque-chose »
- Infection E. coli
- Agitation juste après
l’infection : détachement des capsides vides
- Centrifugation
2 fractions
Phages vides
(suspension)
20 minutes après l’injection, la cellule est lysée, et de
nombreux phages sont libérés.
Phages T2 marqués au 35 S
(Protéines marquées, pas l’ADN)
L’essentiel de la radioactivité
se trouve dans les bactéries infectées
Conclusions :
- Infection E. coli
- Agitation juste après
l’infection : détachement des capsides vides
- Centrifugation
2 fractions
Phages vides
(suspension)
Bactéries infectées
(culot)
- C’est l’ADN qui est injecté dans les cellules, pas les
protéines.
- L’ADN injecté possède toute l’information nécéssaire pour
regénérer de nouveaux phages.
Le matériel génétique est l’ADN, que cela soit pour les cellules
ou les virus.
Bactéries infectées
(culot)
Confirmation des expériences de Griffith, Avery, etc...
L’essentiel de la radioactivité
se trouve dans les têtes de phage vides
La réplication de l’ADN
Trois modèles de réplication sont possibles
Les cellules contenant de l’ADN se multiplient et
transmettent leur information génétique aux cellules filles.
Comment l’ADN se réplique t’il?
Hypothèse de Watson et Crick (1954) : avant la réplication,
les liaisons H sont rompues. Les deux chaînes se déroulent et
se séparent. Chacune agit alors comme une matrice. En fin de
processus on obtient 2 hélices de séquence identique.
A. Modèle conservateur
Les deux brins
parentaux se
réassocient après
avoir joué le rôle
de matrice.
ADN parental
A
C
T
A
G
C
T
G
A
T
C
G
AT
CG
T A
A
G
C
A
T
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AT
C G
T A
T
C
G
première
réplication
2e réplication
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C. Modèle dispersif
B. Modèle semi-conservateur
Chacun des brins des
deux molécules filles
est un mélange d’ADN
ancien et d’ADN
néosynthétisé.
Les deux brins
parentaux ne se
réassocient pas après
avoir joué le rôle
de matrice.
ADN parental
ADN parental
première
réplication
première
réplication
2e réplication
2e réplication
La réplication de l’ADN est semi-conservative
Centrifugation
isopycnique
1958 : Expérience de Meselson et Stahl
- Culture d’E. coli dans un milieu contenant un isotope lourd
de l’azote : le 15 N.
- Transfert dans un milieu sans 15 N et suivit sur 2 générations
(extraction d’ADN et étude de sa densité sur gradient de CsCl).
Séparation
de l’ADN
plusieures
heures à
100 000 g
Extraits d’ADN centrifugés
ADN léger
ADN hybride
ADN lourd
Cellules
parentales
génération 1
génération 2
Mécanisme de réplication de l ADN
100%
lourd
E. coli
100%
hybrides
50% hybrides
50% léger
cellule mère
20 min.
Rapidité et précision
Implication de
12
protéines. Mieux connu
chez les bactéries.
2 cellules filles
génétiquement identiques
Un seul chromosome (ADN circulaire)
de 4 640 000 bases (4,6 Mpb)
Homme : 23 paires de chromosomes. Réplication en quelques heures.
ADN léger
ADN hybride
ADN lourd
Génome haploïde : 3 177 000 000 bases (femme)
Génome diploïde : 6 354 000 000 bases (6 354 Mpb)
Cellules
parentales
génération 1 génération 2
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1 369 x E. coli
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Le point de départ : les origines de réplication
« Oeil » de réplication = réplicon
Bactéries : 1 chromosome circulaire, 1 origine de réplication :
La réplication se fait dans les deux sens
Séquence particulière. Une protéine particulière s y attache
et sépare les deux brins.
« oeil » de
réplication
origine
Fourches de réplication (Y)
vitesse d élongation :
500 nucléotides / seconde
Eucaryotes
Fourches de réplication
Chromosomes linéaires à plusieurs origines de réplication
Réplication dans les deux sens.
L élongation (formation) du nouveau brin d ADN est catalysée
par une enzyme appelée ADN polymérase.
réplicon 1 réplicon 2 réplicon 3
Chez Procaryotes : existence de 5 types d ADN polymérase ≠ (I, II...)
Chez Eucaryotes : il existe 11 ADN polymérases ≠
Tout oeil de réplication
finit par fusionner
avec un autre
Vitesse d élongation :
50 nucléotides / seconde
(car l ADN est associé à
des protéines)
Le mécanisme à été
décrit par Arthur Kornberg
en 1953 (découverte de
l ADN polymérase I).
Prix Nobel en 1959
(avec Severo Ochoa).
Les ADN polymérases ont besoin d une amorce
avec extrémité 3 -OH. Elongation : dans le sens 5 -3
Les ADN polymérases utilisent des nucléosides triphosphate
comme monomères pour synthétiser l ADN
Adénine
Guanine
Cytosine
Thymine
Désoxyadénosine 5 -triphosphate = dATP
Désoxyguanosine 5 -triphosphate = dGTP
Désoxycytidine 5 -triphosphate = dCTP
Désoxythymidine 5 -triphosphate = dTTP
brin matrice
3
dNTP
amorce
5
base
base
base
base
base
base
base
base
3
3
3
P
base
P
P
Désoxyadénosine 5 -triphosphate
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P
P
5
3
P
P
OH
5
Les dNTP ne sont
ajoutés qu en 3
Après l attachement un
pyrophosphate est relâché
base
3
P
5
base
OH
P
5
base
5
3
P
P
P
P
P
OH
5
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L élongation antiparallèle
Exemple chez les Bactéries :
5
3 -ATCGGTAACGCGATTACGTACG-5
5 -TAGCCATT-3
amorce
3
5
Polymérase III
Amorce complémentaire
Fragments d Okazaki
5
3
Lagging strand
5
ADN polymérase III
se rapproche de la fourche
brin continu (directeur, précoce)
Leading strand
Brin discontinu :
Plusieurs amorces sont
3 amorce
nécéssaires. Plusieurs fragments
5
synthétisés et reliés par l ADN ligase
3
Fragments d Okazaki : 1000 - 2000 nucléotides chez E. coli
100 - 200 nucléotides chez Eucaryotes
La chaîne s allonge dans le sens 5 –3
amorce
ADN polymérase III
s éloigne de la fourche
brin discontinu
(tardif, rétardé)
brin discontinu (tardif, rétardé)
5
Amorces
L amorce est un court brin d ARN de 5-10 nucléotides
Synthétisé par la primase
3
Les amorces d ARN sont ensuite remplacées par de l ADN
Ceci est réalisé par l ADN polymérase I
amorce
L ADN ligase relie tous les fragments
3
5
ADN polymérase III
se rapproche de la fourche
brin continu (directeur, précoce)
Sens général de
la réplication
3
amorce
5
3
Autres protéines importantes dans la réplication
Hélicase : sépare les deux brins en brisant les liaisons H
(consomme ATP). Ce déroulement cause des torsions importantes.
Topoisomérase : enzyme qui fait diminuer les torsions générées
par l hélicase. Coupe et recolle un brin.
Protéines fixatrices d ADN monocaténaire (= SSB, single-strand
binding proteins). Se fixent sur l ADN monocaténaire pour le
stabiliser.
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Le réplisome
En résumé, au moins 7 protéines interviennent dans la
réplication de l ADN chez E. coli.
Primase
ADN polymérase III (complexe 10 enz.)
ADN polymérase I
ADN ligase
Hélicase
Topoisomérase
Protéines SSB
Ces protéines forment un grand complexe : le réplisome
Toutes les protéines interagissent entre-elles
(ex : l hélicase fonctionne plus vite si elle est en contact
avec la primase)
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