STRUCTURE DE L'ADN (2h)
A - Structure des nucléotides
B - Structure des acides nucléiques
C - Chromatine et ADN
1
PACES - UE1 - Atomes, biomolécules, génome, bioénergétique, métabolisme
BIOLOGIE MOLECULAIRE – CHAPITRE I
Marion Vankersschaver
marion.vankersschaver@gmail.com - 06 28 07 97 40

A - Structure des nucléotides
1 – Phosphates
2 – Ribose, désoxyribose
3 – Bases azotées
4 – Nucléosides et nucléotides
2

A - Structure des nucléotides
3
L’ADN est un acide nucléique qui contient :
2 - des riboses ou désoxyriboses 3 - des bases azotées
désoxy en C2
1 - des phosphates
Carbone 2’
acide phosphorique
(PO4H3)
oses à 5 carbones
(pentoses)
bases azotées
(purines ou pyrimidines)

1 - Phosphates
Le phosphate inorganique (Pi) est un ion stable formé à partir de l’acide
phosphorique HPO4
2-.
Le pyrophosphate (PPi) est constitués de deux molécules d’acide phosphorique
condensées.
4

1 - Phosphates
LIAISON ESTER : des esters de phosphate se forment entre un acide phosphorique
et un groupement hydroxyle libre (alcool, énol, phénol...).
5

1 - Phosphates
LIAISON ANHYDRIDE D ’ACIDES : la condensation d’un phosphate et d’un autre acide
(par exemple un autre phosphate) donne un anhydride (il y a aussi des
anhydrides mixtes avec les acides carboxyliques par exemple).
6

2 - Ribose, désoxyribose
Le ribose est un pentose de la série D, dont tous les hydroxyles sont orientés à droite
(représentation de Fisher). Dans les acides ribonucléiques (RNA), il est cyclisé en
ribofuranose : anomère β spécifiquement.
7

2 - Ribose, désoxyribose
Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (DNA) est dérivé du
ribose par une réduction de la fonction alcool secondaire du carbone n°2. Le
désoxyribose confère à cet acide nucléique une plus grande stabilité propre à sa
fonction de conservation de l’information génétique.
8

3 – Bases azotées
Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux classes de molécules
selon le noyau aromatique qui en constitue le squelette.
Le noyau pyrimidine est un noyau aromatique à six atomes, quatre carbones et
deux azotes ; les deux azotes en position méta (n°1 et 3).
9

3 – Bases azotées
Le noyau purine est constitué de deux noyaux hétérocycliques accolés, un de six
atomes et l’autre de cinq atomes, ayant deux carbones en commun au milieu. Par
rapport à ces carbones communs, les azotes occupent des positions symétriques
(n° 1 et 3 à gauche, n° 7 et 9 à droite).
10

3 – Bases azotées
BASES PURIQUES : L’adénine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 6 est
substitué par une fonction amine. Elle est la seule des bases nucléiques dont la
formule ne contient pas d’atome d’oxygène.
11

3 – Bases azotées
BASES PURIQUES : La guanine est constituée d’un noyau purine dont le carbone 2
est substitué par une fonction amine et le carbone 6 par une fonction cétone.
12

3 – Bases azotées
BASES PYRIMIDIQUES : La cytosine est constituée d’un noyau pyrimidine dont le
carbone 4 est substitué par une fonction amine et le carbone 2 par une fonction
cétone.
13

3 – Bases azotées
BASES PYRIMIDIQUES : L’uracile est constituée d’un noyau pyrimidine dont les
carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone.
14

3 – Bases azotées
BASES PYRIMIDIQUES : La thymine est aussi constituée d’un noyau pyrimidine dont
les carbones 2 et 4 portent des fonctions cétone, mais dont le carbone 5 est
substitué par un méthyl.
15
1

A - Structure des nucléotides
16
5’ P
3’ OH
Ces molécules s’assemblent pour former des nucléotides

A - Structure des nucléotides
17
4 sortes de
bases azotées
4 sortes de
nucléotides

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOSIDES
La liaison d’une base azotée avec un sucre (ribose ou désoxyribose) donne un
nucléoside.
18

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOSIDES
La liaison implique un des azotes de la base (azote n°1 des pyrimidines ou azote n°9
des purines) et le carbone n°1 de l’ose (carbone réducteur). C’est une liaison N-
osidique.
On numérote les atomes de la base par des chiffres : 1, 2, 3, etc... et pour les
distinguer, les carbones du sucre sont numérotés 1’, 2’, 3’, etc...
19

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOSIDES
Un nucléoside est donc une molécule composée d’un pentose (β-D-ribose ou 2-
désoxy-β-D-ribose) lié par une liaison N-osidique à une base azotée.
20

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOTIDES
La liaison d’un nucléoside avec un phosphate donne un nucléotide.
21

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOTIDES
La liaison se fait par une estérification de la fonction alcool primaire (carbone n°5’)
du sucre et une des trois fonctions acides du phosphate.
Un nucléotide est donc formé d’une base azotée, liée par une liaison osidique avec
un sucre, lui-même lié par une liaison ester avec un phosphate.
22

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLEOTIDES
Un nucléotide est donc une molécule composée d’un nucléoside lié par une liaison
ester à un acide phosphorique (les nucléotides sont des esters phosphoriques
des nucléosides).
23
nucléoside
nucléoside
nucléoside

4 - Nucléosides et nucléotides
NOMENCLATURE
Nucleoside monophosphate = nucleotide.
24

4 - Nucléosides et nucléotides
Les bases azotées sont désignées par une initiale et par une couleur.
25

4 - Nucléosides et nucléotides
NOMENCLATURE
Ribose + Base = Ribonucléoside
Désoxyribose + Base = Désoxyribonucléoside
Ribose + Base + 1 Phosphate = Ribonucléotide
Désoxyribose + Base + 1 Phosphate = Désoxyribonucléotide
Ribose + Base + 3 Phosphates = Nucléosides triphosphates
Désoxyribose + Base + 3 Phosphates = Désoxy Nucléoside triphosphates
26

4 - Nucléosides et nucléotides
RIBONUCLÉOSIDES
Adénosine
27
Les autres ribonucléosides sont la guanosine, la cytidine et l’uridine.

4 - Nucléosides et nucléotides
DÉSOXYRIBONUCLÉOSIDES
Désoxyguanosine
28
Les autres désoxyribonucléosides sont :
la désoxyadénosine, la désoxycytidine et la désoxythymidine.

4 - Nucléosides et nucléotides
RIBONUCLÉOTIDES
Uridine MonoPhosphate = UMP ou uridylate
29
Les autres ribonucléotides sont : l’AMP, le GMP et le CMP.

4 - Nucléosides et nucléotides
DÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES
Désoxythymidine MonoPhosphate
= thymidine monophosphate (dTMP ou TMP) ou acide thymidylique
30
Les autres désoxyribonucléotides (ou nucléotides) sont le dAMP, le dGMP et le dCMP.

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES
= base azotées liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates.
Adénosine Tri Phosphate
31
Les autres nucléosides triphosphates sont le GTP, le CTP, l’UTP.

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES
Adénosine Tri Phosphate
32
Au pH physiologique, les fonctions
acides des acides phosphoriques
distaux sont fortement ionisées.
Les liaisons anhydrides unissant les
acides phosphoriques sont des
liaisons riches en
énergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol).
L’ATP est un des
substrats des RNA-
polymérases.
Le coenzyme ATP/ADP
est un coenzyme
transporteur d’énergie
universel.
Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate
comme substrat ou comme coenzyme, nécessitent
en même temps la présence du cation Magnésium
comme cofacteur.

4 - Nucléosides et nucléotides
NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES
Dans le métabolisme interviennent des substrats riches en énergie : les nucléosides
triphosphates.
Un nucléoside triphosphate est un nucléotide dont le phosphate est lui-même lié à
un ou deux autres phosphates par des liaisons anhydride d’acides.
33

4 - Nucléosides et nucléotides
34
NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES

4 - Nucléosides et nucléotides
DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate
= cytosine, liée par une liaison N-osidique au β-D-ribose et trois phosphates.
Les autres désoxynucléosides triphosphate sont le dATP, le dGTP et le dTTP.
35

4 - Nucléosides et nucléotides
DÉSOXY NUCLÉOSIDES TRIPHOSPHATES Désoxycytidine Tri Phosphate
36
Au pH physiologique, les fonctions
acides des acides phosphoriques
distaux sont fortement ionisées.
Les liaisons anhydrides unissant les
acides phosphoriques sont des
liaisons riches en
énergie (ΔG ≥ 31 kJ/mol).
Le dCTP est un des
substrats des DNA-
polymérases.
Les enzymes utilisant un nucléoside triphosphate
comme substrat ou comme coenzyme, nécessitent
en même temps la présence du cation Magnésium
comme cofacteur.

B - Structure des acides nucléiques
1 – Liaisons phosphodiester
2 – Extrêmités 5’ et 3’
3 – Liaisons hydrogène
4 – Acide Désoxyribo Nucléique
5 – Acide Ribo Nucléique
6 – ADN vs ARN
37

B - Structure des acides nucléiques
38
Liaisons phosphodiester
Liaisons H
Extrêmité 5’
Extrêmité 3’
L'ADN est un polymère de
nucléotides

B - Structure des acides nucléiques
39
Liaisons phosphodiester
Extrêmité 5’
L'ARN est un polymère de
ribonucléotides
Extrêmité 3’
A G U C

1 – Liaisons phosphodiester
Les acides nucléiques sont des macromolécules résultant de
la condensation de très nombreux
nucléotides, liés par des liaisons phosphodiester.
Ces liaisons sont formées entre le carbone 3’ d’un premier
nucléotide et le carbone 5’ du nucléotide suivant.
40

1 – Liaison phosphodiester
41
Liaison Phosphodiester
GTP
Extrêmité 3’ OH
Extrêmité 5’ Phosphate

2 – Extrémités 5’ et 3’
Ces liaisons définissent un sens à la molécule :
42
5’
3’

2 – Extrémités 5’ et 3’
Le début est le nucléotide dont le phosphate en 5’ ne serait lié à aucun autre
nucléotide : il porte par une liaison ester sur le carbone 5’ de son ribose un
phosphate dont les deux autres fonctions acides ne sont pas estérifiées.
43

2 – Extrémités 5’ et 3’
La fin correspond au nucléotide dont la fonction alcool en 3’ n’est pas
estérifiée.
44

3 – Liaisons hydrogène
= liaison de faible énergie entre deux atomes attirés l’un vers l’autre
pour des raisons électrostatiques l’un étant riche en électrons (donc
nucléophile) et l’autre n’ayant que les protons de son noyau (donc
électrophile).
45

3 – Liaisons hydrogène
- L’atome d’hydrogène est électrophile.
- Les atomes d’azote et d’oxygène sont nucléophiles.
46

3 – Liaisons hydrogène
47
L’adénine peut former
2 liaisons H
avec la thymine.
La guanine peut former
3 liaisons H
avec la cytosine.

3 – Liaisons hydrogène
L’hybridation adénine-thymine est moins
stable que celle entre guanine et
cytosine.
48

Bases azotées à l’intérieur
Les bases azotées liées par les liaisons hydrogènes
sont tournées vers l’intérieur, tandis que les
riboses et les acides phosphoriques, hydrophiles
sont tournés vers l’extérieur.
49
4 - Acide Désoxyribo Nucléique

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
Chaînes antiparallèles
L’ADN est formé de deux chaînes
antiparallèles : l’extrémité 5’ de
l’une est du côté de l’extrémité 3’
de l’autre.
50
5’
5’3’
3’

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
Appariement complémentaire
Pour que tous les nucléotides puissent
s’hybrider ; il faut que l’ordre dans
lequel ils sont liés ensemble soit
complémentaire de la chaîne
opposée.
51

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
La double hélice et le modèle en ruban
La double hélice a un pas de 3,4 nm, il y a environ 10 paires de nucléotides pour
chaque tour d’hélice.
52

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
Grand sillon, petit sillon
Le grand sillon est profond et large, le petit sillon est étroit et peu profond. Certaines
protéines forment des liaisons avec les sillons.
53
Il y a 4 motifs
différents
possibles pour
l’accrochage
du grand sillon.
Il y a 2 motifs
différents
possibles pour
l’accrochage
du grand sillon.

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
54

4 - Acide Désoxyribo Nucléique
Fusion
La chaleur peut dissocier les deux chaînes : c’est la fusion du DNA. Elle est réversible.
55

5 - Acide Ribo Nucléique
Pour former un acide ribonucléique les nucléotides
(GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns
sur les autres avec des liaisons phosphodiester
entre le carbone 3’ d’un premier nucléotide et le
carbone 5’ du nucléotide suivant.
56

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte
distance par leurs bases complémentaires.
57

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
L'ARN peut former une hélice identique à celle de l'ADN grâce à des liaisons H et en
se repliant sur lui même. Les structures secondaires de l'ARN permettent
d'obtenir des molécules plus stables, ayant une structure tertiaire donnée.
58
ARNr 23S (H. marismortui)

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Structures en tige boucle
59
Structure en tige et boucle
formée par une séquence
répétée inversée sur l'ARN Topologie des différentes structures
secondaires rencontrées dans l'ARN

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Structures en tige boucle
La plupart du temps, des liaisons H de type Watson Crick sont à l'origine des
structures en tige boucle.
Plus rarement, on observe des liaisons H de type Hoogsteen.
60
Guanosine montrant la face
Watson-Crick et la face Hoogsteen
de la purine

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Liaisons H de type Watson Crick
61

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Liaisons H de type Hoogsteen
62

5 - Acide Ribo Nucléique
Structure secondaire
Pseudonoeuds
63
mécanismes de formation d'un
pseudonœud dans l'ARN

5 - Acide Ribo Nucléique
Plusieurs espèces d’acides ribonucléiques :
— rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe à la
structure des ribosomes, 82% des ARN cellulaires.
— tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteur des acides
aminés activés pour la traduction, 16% des ARN cellulaires.
— mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la transcription
d’un gène qui porte l’information à traduire, 3 à 5% des ARN
cellulaires.
— snRNA = small nuclear RNA, ils sont riches en U et participent à
l’excision/épissage des introns, <1% des ARN cellulaires.
—RNA 7S = ARNs qui participent à la reconnaissance du peptide
signal, <1% des ARN cellulaires.
64

5 - Acide Ribo Nucléique
ARN ribosomiques
= organites situés dans le cytoplasme et dans les mitochondries.
Ils interviennent pendant la transcription (fabrication des protéines).
Les ARNr s’associent aux protéines ribosomales (r-protéines) et jouent
un rôle essentiel dans la structure et le maintien de l’intégrité des
ribosomes.
65

5 - Acide Ribo Nucléique
ARN ribosomiques procaryotes
les ribosomes 70S sont formés de 2 sous-
unités :
S = unité de sédimentation ou
Svedberg.
- La grande sous-unité 50S
contient 2 ARNr (5 S et 23 S) et au
moins 34 r-protéines.
- une petite sous-unité 30S
contient 1 ARNr (16 S) et au
moins 21 r-protéines.
66

5 - Acide Ribo Nucléique
ARN ribosomiques eucaryotes
les ribosomes 80S sont formés de 2 sous-
unités.
- La grande sous-unité 60S contient
3 ARNr (5 S, 5,8 S et 28 S)
- La petite sous-unité 40S contient
1 ARNr (18 S).
67

5 - Acide Ribo Nucléique
ARN ribosomiques eucaryotes
Le nombre de r-protéines est plus important que chez les procaryotes.
68

5 - Acide Ribo Nucléique
ARN de transfert
Il existe plus de 20 ARNt différents : au moins un par acide aminé.
Structure en trèfle, contiennent de 75 à 95 nt.
69

6 – ADN vs ARN
70
ADN ARN
Bases azotées = A T C G Bases azotées = A U G C

6 – ADN vs ARN
71
ADN ARN
Désoxyribose Ribose
Carbone 5’ Carbone 5’
Carbone 3’ Carbone 3’

6 – ADN vs ARN
72
ADN ARN
Désoxyribose Ribose
Carbone 5’ Carbone 5’
Carbone 3’ Carbone 3’

6 – ADN vs ARN
73
ADN ARN
Désoxyribonucléotides Ribonucléotides

6 – ADN vs ARN
74
ADN ARN
Double brin Simple brin
des portions peuvent être sous forme
bicaténaire : appariées sur une courte
distance par leurs bases complémentaires.
Plus long Plus court : 70 à 10 000 nucléotides
Plus stable Plus instable

6 – ADN vs ARN
75

C - Chromatine et ADN
1 – Compaction de l’ADN
2 – Chromatine
3 – ADN et cycle cellulaire
76

1 – Compaction de l’ADN
77
Chez les eucaryotes, presque tout l'ADN est contenu dans le
noyau (on en trouve aussi un peu dans les mitochondries
et les chloroplastes).
Un chromosome humain peut contient 20 à 100 millions de
paires de bases. Les cellules humaines contiennent 46
chromosomes chacune.

1 – Compaction de l’ADN
78
Le noyau de chacune de nos cellules contient ainsi des
molécules d’ADN qui dépliées, mesurent plus de 2 mètres
de long.
> L’ADN y est hyper compacté.

1 – Compaction de l’ADN
79
Histones
Chaque molécule d'ADN du noyau est enroulée sur des protéines
appelées histones.

1 – Compaction de l’ADN
80
Nucléosomes
L'ADN enroulé sur 8 histones forme un nucléosome. Les histones H1
servent à relier les nucléosomes les uns aux autres de façon à
former une structure spiralée plus compacte.

1 – Compaction de l’ADN
Solénoïde
L'ensemble s'enroule à nouveau sur lui-même pour former des solénoïdes. Leur
diamètre fait 30nm.
81

1 – Compaction de l’ADN
Solénoïde
Les boucles contiennent 6 à 8
nucléosomes par tour et sont
hautes de 11nm.
La chromatine est formée de
solénoïdes.
82

1 – Compaction de l’ADN
83
Scaffold
Le solénoïde se replie
sur un Scaffold pour
former des
structures de
300 nm de diamètre.
Les chromosomes
décondensés ont
cette structure.
(en INTERPHASE)

84
Chromosomes
L’ADN se condense encore pour
former des structures de
700 nm de diamètre, elles
mêmes condensées pour
former des structures de
1400 nm de diamètre.
Les chromosomes condensés
ont cette structure
(en METAPHASE)
1 – Compaction de l’ADN

1 – Compaction de l’ADN
85
En résumé...

86
1 – Compaction de l’ADN
En résumé...

87
1 – Compaction de l’ADN
En résumé...

C - Chromatine et ADN
La chromatine est la forme sous laquelle se présente
l'ADN dans le noyau.
Sont degré de compaction dépend :
- Du type de chromatine observé.
- De la période du cycle cellulaire où on l’observe.
88

2 – Chromatine
Euchromatine
= chromatine décondensée (10 nm de diamètre) qui correspond à des
zones où les gènes sont activement transcrits.
89

2 – Chromatine
Hétérochromatine
= chromatine condensée (20 à 30 nm de diamètre) qui correspond à
des zones inactives au niveau transcriptionnel.
90

2 – Chromatine
Hétérochromatine
Hétérochromatine constitutive = portions de chromosomes inactives dans toutes
les cellules et porteuses de séquences répétitives. La plupart se trouve à
proximité des centromères et télomères.
Hétérochromatine facultative = portions de l'hétérochromatine variables selon le
type ou l'état de différenciation des cellules.
91

2 – Chromatine
Acétylation, méthylation
Les histones de l’euchromatine sont hyperacétylées et hypométhylées. Celles de
l’hétérochromatine sont hypoacétylées et hyperméthylées.
92

2 – Chromatine
Localisation
L’euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme.
L’hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du
nucléole.
93Condensed heterochromatin, the dark areas against the envelope and in the centre
Not-condensed (diffuse) euchromatin, the bright areas in between

3 - ADN et cycle cellulaire
94

3 - ADN et cycle cellulaire
A la fin de l’interphase, l’ADN se condense et forme
des chromosomes. A la fin de la mitose (en
télophase) l’ADN se décondense.
95

3 - ADN et cycle cellulaire
96