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Chapitre 2
Organisation moléculaire des structures du vivant

 

 

ADN
ADN
Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Les nucléotides sont formés de 3 molécules : une base azotée, un glucide et de l'acide orthophosphorique et contiennent des atomes de carbone, d'oxygène, d'hydrogène, d'azote et de phosphore. L'association d'une base azotée et d'un glucide se nomme nucléoside. Lorsqu'on y ajoute un groupement phosphate, on crée un nucléotide.
 
Structure de l'ADN

Structure de l'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 

 
Double hélice d'ADN
 

Double hélice d'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 

 

Nucléotide

 

Les nucléotides sont des acides désoxyribonucléiques dans l'ADN et ribonucléiques dans l'ARN. Un nucléotide est formé d'un groupement phosphate (acide phosphorique), d'un sucre à 5 carbones (désoxyribose dans l'ADN et ribose dans l'ARN) et d'une des 5 bases azotées (A, C, G, T ou U).

 

 
nucléotides
 

Relations entre les nucléotides de l'ADN

(http://www2.bc.cc.ca.us/bio16/images/nucleotide.gif)

 

 

Sucre

 

Le désoxyribose se retrouve dans chaque nucléotide de l’ADN. Le préfixe « désoxy » signifie qu’il y a un oxygène en moins puisqu'une fonction hydroxyle (-OH) est remplacée par un hydrogène (H). Dans l’ARN, le groupement hydroxyle est présent.

 

 
desoxyibose
 

Désoxyribose

 

 

Le désoxyribose est beaucoup plus stable que le ribose, une caractéristique intéressante pour une molécule servant à stocker l'information.

 

 

Bases azotées

 

Les bases azotées sont des molécules qui varient d'un nucléotide à l'autre. Généralement, on identifie le nom du nucléotide par le nom de la base azotée.

 

 

On retrouve 4 nucléotides différents dans l'ADN : l'adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Ils s'unissent deux par deux (appariement) par affinité chimique : l'adénine avec la thymine par la formation de deux ponts hydrogène et la cytosine avec la guanine par la formation de trois ponts hydrogène. L'uracile (U) ne se retrouve que dans l'ARN, il remplace la thymine qui ne se retrouve que dans l'ADN. L'uracile, tout comme la thymine, s'apparie avec l'adénine.

 

 
Bases azotées de l'ADN
 

Bases azotées de l'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 

Purines

 

Les purines comptent deux hétérocycles. C'est-à-dire que les cycles ne sont pas uniquement constitués de carbone (on y retrouve de l'azote). Les deux purines retrouvées dans les acides nucléiques sont l'adénine et la guanine.

 

 
Adénine
 

Le nom chimique de l'adénine est 1,6-dihydro-6-iminopurine. L'adénine est une base azotée retrouvée à la fois dans l'ADN et l'ARN. Elle s'apparie avec la thymine et l'uracile.

 

 
adénine
 

Adénine

 

 
Guanine
 

La guanine est une base azotée que l'on retrouve dans l'ADN et l'ARN. Elle s'apparie avec la cytosine autant dans l'ADN que dans l'ARN.

 

 
guanine
 

Guanine

 

 

Pyrimidines

 

Les pyrimidines comprennent un seul hétérocycle. On en compte trois : la cytosine, la thymine et l'uracile.

 

 
Cytosine
 

La cytosine est une base azotée retrouvée à la fois dans l'ADN que dans l'ARN où elle s'apparie avec la guanine.

 

 
cytosine
 

Cytosine

 

 
Thymine
 

La thymine est une base azotée que l'on ne retrouve que dans l'ADN. Elle s'apparie avec l'adénine de l'ADN et de l'ARN.

 

 
thymine
 

Thymine

 

 
Uracile
 

L'uracile est une base azotée ne se retrouvant que dans l'ARN. Elle remplace la thymine dans l'ARN messager et s'apparie avec l'adénine de l'ADN.

 

 
uracile
 

Uracile

 

 

Groupement phosphate

 

Le dernier élément d'un nucléotide est un groupement phosphate. C'est un anion polyatomique de formule chimique brute PO43-

 

 
orthophosphate
 

Groupement phosphate

(http://student.ccbcmd.edu/~gkaiser/biotutorials/dna/images/phosphate.jpg)

 

 
   

ADN

 

L’acide désoxyribonucléique (ADN) est une molécule retrouvée dans toutes les cellules vivantes. Elle sert de support à l'hérédité (information génétique). L'ADN se transmet en totalité ou en partie lors des processus de reproduction et une partie (gènes) détermine la synthèse des protéines. Chez les eucaryotes, l'ADN est contenu dans le noyau, les mitochondries et les chloroplastes. Chez les procaryotes, l'ADN est contenu dans le cytoplasme. Certains virus possèdent également de l'ADN.

 

Une molécule d'ADN est constituée de deux chaînes de nucléotides complémentaires formant une hélice bicaténaire (2 brins).

 

 
Structure de l'ADN
 

Structure de l'ADN

(Wikipedia)

 

 

Réplication de l'ADN

 

La réplication de l'ADN est semi-conservative. À chaque mitose, la molécule d'ADN double-brin est dupliquée en deux molécules d'ADN double brin filles dont chacune hérite un brin de la molécule d'ADN initiale ou « mère » et d'un brin synthétisé à partir de nucléotides libres. Lors de la réplication, les paires de bases sont tout d'abord désappariées par la rupture des liaisons hydrogènes de l'ADN par une enzyme appelée ADN hélicase. Une fourche de réplication va alors se former donnant 2 brins d'ADN simple-brin distincts. Chacun de ces brins va être copié par l'action des ADN polymérases, pour former 2 nouvelles molécules d'ADN double brins identiques à la molécule initiale.

 

 
Réplication de l'ADN
 

Réplication de l'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 

 
Réplication de l'ADN
 

Réplication de l'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 
Réplication de l'ADN
 

Réplication de l'ADN

(Anne-Marie Bernier)

 

 
Animation sur l'ADN
 

Animation sur l'ADN

 

 
 

Animations sur la réplication de l'ADN

 

 

ARN

 

L'acide ribonucléique (ARN) est un polymère semblable à l'ADN. Il existe quatre différences par rapport à l'ADN :

  1. Le sucre désoxyribose est remplacé par un ribose, ce qui explique l'instabilité des molécules d'ARN, car ce sucre est susceptible d'hydrolyse alcaline et acide tandis que le désoxyribose de l'ADN y est insensible.
  2. La base thymine est remplacée par un uracile.
  3. L'ARN est généralement monocaténaire (1 seul brin) tandis que l'ADN est bicaténaire (2 brins).
  4. L'ARN est court (50 à 5 000 nucléotides et non pas des millions comme dans l'ADN).
 
ARN
 

Structure de l'ARN

(Wikipedia)

 

 

Types d'ARN

 

Les types d'ARN importants pour la synthèse des protéines sont :

 

  • ARN messager (ARNm) : formé par transcription de l'ADN, son rôle consiste à transporter l'information génétique du noyau vers le cytoplasme où elle sera traduite en protéine par les ribosomes.
  • ARN de transfert (ARNt) : ARN court qui a un anticodon sur sa boucle, et un acide aminé attaché à l'autre extrémité et qui sera transféré à la protéine en formation.
  • ARNt-aminoacyl : (ARNt-aa), ARNt portant son acide aminé.
  • ARN ribosomique : associé à des protéines, il forme le ribosome qui constitue la tête de lecture de l'information génétique (l'ARNm).

 

 
ARNt
 

ARNt

(http://www.stanford.edu/~esorin/trna_cartoon.gif)

 

 

Il existe de nombreux autres types d'ARN (qu'il ne faut pas connaître pour l'examen!) :

  • ARNg : ARN génomique (ARN qui constitue le génome de certains virus).
  • ARN guide : petits ARN transcrits de 50 à 70 nucléotides qui jouent un rôle de matrice d’ARN pour l’ADN-télomérase.
  • ARNi : ARN interférant : molécule d’ARN capable de contrôler l’expression de gènes situés sur des ARN viraux.
  • ARN prémessager : ARN précurseur des ARNm, clivé selon un mécanisme d'épissage.
  • ARNnm : ARN non-messagers : ARN qui ne sont pas traduits en protéines.
  • ARN positif : ARN viral à polarité positive qui peut être traduit directement par les ribosomes de la cellule infectée. Dans le cas des ARN viraux à polarité négative, une transcriptase virale les transcrit en ARN à polarité positive afin qu’ils puissent être traduits en protéines.
  • ARNtm: essentiels pour la plupart des bactéries, ces ARN ont une fonction hybride entre celle d'un ARNt et un ARNm. Ils servent à libérer les ribosomes bloqués lors de la traduction d'ARNm accidentellement tronqués, en aiguillant la lecture sur eux-mêmes (fonction ARNm) et en chargeant les ribosomes manquants de codons suivants (fonction ARNt forcée afin de permettre la translocation traductionnelle).
  • ARNt isoaccepteurs : différents ARN de transfert capables de porter le même acide aminé.
  • ARN antisens : ARN complémentaire d'une portion d'un autre ARN et inhibant sa fonction.
  • ARN MIC : classe particulière d'ARN antisens, complémentaire de l'extrémité 5' d'un ARNm et inhibant sa fonction.
  • ARN monocistronique : ARN ne comportant qu'une seule information génétique. Pour un ARNm, un cistron correspond à un seul polypeptide.
  • ARN polycistronique : ARN messager contenant plusieurs cistrons, et donc codant plusieurs chaînes polypeptidiques distinctes.
  • ARN nucléaire de grande taille ou ARN nucléaire hétérogène : ARN nucléaire résultant d'une transcription par la polymérase II. Ces ARN sont hétérogènes en taille et peu stables.
  • ARN recombinant : molécule d'ARN composée de fragments d'origines distinctes réunis in vitro par une ARN ligase.
  • ARN satellite : ARN qui peut accompagner certains virus.
  • Petits ARN nucléaires ou ARNsn : ARN de la machinerie d'épissage.
  • Petits ARN nucléolaires ou ARNsno : ARN guides participant à l'incorporation de modifications chimiques dans d'autres ARN. Les deux principales modifications sont la méthylation de la position 2' du ribose et la pseudouridylation (transformation de l'uridine en pseudouridine).
  • Aptamères : ARN artificiels sélectionnés in vitro pour une propriété particulière de fixation d'un ligand ou de catalyse enzymatique.

 

 

Les puces à ADN (biopuces)

 

Une puce à ADN est une surface (verre, silicium, plastique) sur laquelle on fixe des dizaines de milliers de fragments d'ADN (un par gène généralement). Cette technologie permet d'étudier l'expression des gènes dans une cellule à un moment donné. Elle permet de comparer deux situations (une cellule normale et une cellule cancéreuse d'un même individu par exemple). Cette technique est basée sur la capacité des molécules d'ADN complémentaires de s'apparier (s'hybrider), adénine avec thymine, guanine avec cytosine.

 

 

Étapes

 

Extraction de l'ARN

 

On extrait d'abord les ARNm des cellules à étudier. L'extraction de l'ARNm permet d'identifier les gènes en train d'être exprimés par les cellules puisque l'ARNm a une durée de vie très brève. Si on en retrouve dans une cellule, cela signifie que la cellule est en train d'exprimer le gène.

 

 

Transformation en ADNc

 

On doit par la suite transformer les ARNm isolés en ADN complémentaire. Pour ce faire, on utilise la transcriptase inverse (enzyme retrouvée dans les virus à ARN, dont le V.I.H.) qui fabrique un ADN complémentaire selon le même principe que celui de la synthèse des protéines, mais à l'inverse.

 

 

Marquage

 

On procède ensuite au marquage en utilisant une enzyme qui fabrique des ARNc et incorpore des colorants appelés Cyanine 3 (Vert) et Cyanine 5 (Rouge). On utilise un colorant pour chaque type de cellule (par exemple vert pour les cellules normales et rouge pour les cellules cancéreuses).

 

 

Hybridation

 

On mélange les deux préparations d'ARNc marqué puis on dépose le mélange sur une lame de microscope sur laquelle sont fixées à sa surface des dizaines de milliers de sondes (un fragment de chaque gène présent dans la cellule). Chaque brin d'ARNc va s'hybrider au brin monocaténaire d'ADN (fixé sur la plaque) qui lui est complémentaire pour former un double brin.

 

 

Rinçage

 

Un rinçage permet d'éliminer les ARNc marqués qui ne se sont pas hybridés.

 

 

Lecture

 

On introduit la lame dans un appareil qui sa mesurer la fluorescence. On peut obtenir 4 types de réponse. Ainsi, dans notre exemple, un point vert indique un gène qui s'exprime surtout chez la cellule normale; un point rouge indique un gène qui s'exprime surtout chez la cellule cancéreuse; un point jaune s'exprime chez les deux cellules et un point noir indique qu'il s'agit d'un gène qui ne s'exprime dans aucune des deux cellules. Il y a bien entendu tout une gamme de résultats intermédiaires que l'ordinateur calcule pour nous.

 

 
biopuce
 
Biopuce
 

(http://content.answers.com/main/content/wp/en/3/32/Microarray-schema.gif)

 

 
biopuce
 

(http://www.csiro.au/images/mediaReleases/microarray.jpg)

 

 

Utilisation

 

Cette technique permet de comparer quels gènes s'expriment dans les deux cellules étudiées. Par exemple, on peut identifier quels gènes ne s'expriment que dans la cellule cancéreuse et pas dans la cellule normale. Les puces à ADN peuvent également servir comme outil diagnostique permettant d'identifier plusieurs maladies dans un seul test.

 

 
   

>ATP