Les acides nucléiques sont les polymères de nucléotides qui portent et transmettent l'information génétique. Ce chapitre part des trois constituants du nucléotide pour construire la liaison phosphodiester, puis la double hélice de Watson et Crick et ses niveaux de compaction jusqu'au chromosome. Savoir reconnaître une base, un nucléoside et un nucléotide, et décrire la double hélice avec ses chiffres, sont des exigences explicites des enseignants de Biochimie structurale S3.
1. Les trois constituants du nucléotide
Un nucléotide associe un acide phosphorique, un pentose et une base azotée. L'acide phosphorique H3PO4 possède trois fonctions acides ; deux d'entre elles peuvent être estérifiées dans les acides nucléiques, et deux acides phosphoriques peuvent s'unir par une liaison anhydride en acide pyrophosphorique. Le pentose est le β-D-ribose dans l'ARN et le 2-désoxy-β-D-ribose dans l'ADN (l'OH du C2' est remplacé par un H) ; ses carbones sont numérotés avec un prime (1' à 5') pour les distinguer de ceux de la base. Les bases sont des hétérocycles aromatiques azotés de deux familles : les bases puriques (bicycliques) — adénine (A) et guanine (G) — présentes dans l'ADN et l'ARN, et les bases pyrimidiques (monocycliques) — cytosine (C) commune aux deux, thymine (T) spécifique de l'ADN, uracile (U) spécifique de l'ARN, la thymine étant un 5-méthyl-uracile. Les bases sont planes, hydrophobes, absorbent l'ultraviolet à 260 nm et existent sous des formes tautomères (céto/énol, amino/imino) dont la forme majoritaire conditionne les appariements.
2. Nucléosides, nucléotides et dérivés nucléotidiques
Un nucléoside est l'association base + pentose par une liaison N-osidique (β) entre le C1' du sucre et l'azote N9 d'une purine ou l'azote N1 d'une pyrimidine : adénosine, guanosine, cytidine, uridine (ARN) ; désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxycytidine, thymidine (ADN). Un nucléotide est un nucléoside estérifié par un phosphate, le plus souvent sur l'OH du C5' : on parle de nucléoside monophosphate (AMP, GMP, CMP, UMP ; dAMP, dGMP, dCMP, dTMP), diphosphate (ADP) ou triphosphate (ATP, dTTP…). Les phosphates sont notés α (lié au sucre), β et γ ; les liaisons entre eux sont des liaisons anhydride d'acide riches en énergie, dont l'hydrolyse libère une énergie libre élevée, ce qui fait de l'ATP et du GTP la monnaie énergétique cellulaire. D'autres dérivés nucléotidiques jouent des rôles majeurs : l'AMP cyclique (second messager), les coenzymes NAD+, NADP+, FAD et coenzyme A, ainsi que l'UDP-glucose de la synthèse du glycogène.
3. La liaison phosphodiester et la structure primaire
Dans un acide nucléique, les nucléotides sont reliés par une liaison phosphodiester 3'–5' : le phosphate estérifie à la fois l'OH 3' d'un nucléotide et l'OH 5' du suivant. Le squelette sucre-phosphate est régulier et chargé négativement (un phosphate ionisé par résidu, d'où le caractère acide), et les bases forment les « barreaux ». La chaîne possède une polarité : une extrémité 5' (phosphate libre) et une extrémité 3' (OH libre) ; par convention une séquence s'écrit et se lit de 5' vers 3' (5'-ATGCC-3'), et c'est aussi dans ce sens qu'elle est synthétisée par les polymérases. La structure primaire est cette séquence de bases. Les tailles s'expriment en paires de bases (pb), kb (103 pb) et Mb, ou en daltons (une paire de bases pèse environ 660 Da) : le génome du phage λ compte 48 kb, celui d'E. coli environ 4 600 kb sous forme d'un chromosome circulaire de plus de 1 mm, le génome humain haploïde environ 3,2 × 109 pb.
4. La double hélice de Watson et Crick
En 1953, Watson et Crick, à partir des clichés de diffraction des rayons X de Rosalind Franklin et des règles de Chargaff (dans tout ADN, A = T et G = C, donc purines = pyrimidines, alors que le rapport (A+T)/(G+C) varie selon l'espèce), proposent la double hélice. Deux brins antiparallèles (l'un 5'→3', l'autre 3'→5') s'enroulent en une hélice droite autour d'un axe commun ; le squelette sucre-phosphate est à l'extérieur, les bases empilées à l'intérieur, perpendiculaires à l'axe. Les brins sont complémentaires : A s'apparie toujours à T par deux liaisons hydrogène, G à C par trois, de sorte qu'un brin détermine entièrement l'autre — c'est la base de la réplication et de la transcription. Dans la forme B, forme physiologique, le diamètre est de 2 nm (20 Å), le pas de l'hélice de 3,4 nm pour 10 paires de bases par tour, soit 0,34 nm entre deux bases successives ; l'hélice présente un grand sillon et un petit sillon, sites de reconnaissance des protéines régulatrices. La double hélice est stabilisée par les liaisons hydrogène entre bases et surtout par les interactions d'empilement hydrophobes entre bases voisines. D'autres conformations existent : la forme A, plus courte et plus large (ADN déshydraté, hybrides ADN-ARN, ARN double brin), et la forme Z, hélice gauche en zigzag observée dans les séquences alternant G et C.
5. Structure tertiaire : surenroulement et chromatine
La double hélice se replie elle-même dans l'espace. Chez les procaryotes, l'ADN circulaire fermé subit un surenroulement négatif (superhélice) qui le compacte et facilite l'ouverture des brins ; les topoisomérases (dont la gyrase bactérienne, cible des quinolones) coupent et ressoudent les brins pour ajuster ce surenroulement. Chez les eucaryotes, l'ADN est associé aux histones, protéines basiques riches en lysine et arginine, pour former la chromatine. L'unité de base est le nucléosome : environ 146 paires de bases enroulées en 1,75 tour autour d'un octamère d'histones (deux exemplaires de H2A, H2B, H3 et H4), les nucléosomes successifs étant reliés par de l'ADN de liaison porteur de l'histone H1. Ce collier de perles de 10 nm se condense en une fibre de 30 nm, puis en boucles et domaines fixés sur une charpente protéique, jusqu'au chromosome métaphasique, où la molécule d'ADN est raccourcie d'un facteur de l'ordre de 10 000. Les mitochondries et les chloroplastes possèdent leur propre ADN circulaire, sans histones, semblable à celui des bactéries.
Le nucléoside est l'association base azotée + pentose par une liaison N-osidique ; le nucléotide est un nucléoside estérifié par un ou plusieurs phosphates (nucléoside mono-, di- ou triphosphate).
Dans tout ADN double brin, la quantité d'adénine égale celle de thymine et celle de guanine égale celle de cytosine (A = T, G = C), conséquence de la complémentarité des brins ; le rapport (A+T)/(G+C) est caractéristique de l'espèce.
| Base | Famille | Nucléoside (ARN) | Désoxynucléoside (ADN) | Nucléotide 5'-monophosphate |
|---|---|---|---|---|
| Adénine (A) | Purine | Adénosine | Désoxyadénosine | AMP / dAMP |
| Guanine (G) | Purine | Guanosine | Désoxyguanosine | GMP / dGMP |
| Cytosine (C) | Pyrimidine | Cytidine | Désoxycytidine | CMP / dCMP |
| Thymine (T) | Pyrimidine | — | Thymidine | dTMP |
| Uracile (U) | Pyrimidine | Uridine | — | UMP |
Bases, nucléosides et nucléotides à reconnaître
- Nucléotide = base (purine A, G ; pyrimidine C, T, U) + pentose (ribose ou 2'-désoxyribose) + phosphate ; liaison N-osidique C1'–N9 (purines) ou C1'–N1 (pyrimidines).
- ATP : phosphates α, β, γ ; liaisons anhydride β et γ riches en énergie ; NAD, FAD, CoA et AMPc sont des dérivés nucléotidiques.
- Liaison phosphodiester 3'–5' ; chaîne polaire lue et synthétisée de 5' vers 3' ; 1 pb ≈ 660 Da.
- Double hélice B : deux brins antiparallèles et complémentaires (A=T, 2 liaisons H ; G≡C, 3), droite, 2 nm de diamètre, 10 pb et 3,4 nm par tour, grand et petit sillon.
- Chargaff : A = T, G = C ; compaction eucaryote : nucléosome (146 pb, octamère H2A/H2B/H3/H4 + H1) → fibre 30 nm → chromosome.
Les enseignants demandent de dessiner un nucléotide (dAMP, par exemple) en repérant les liaisons N-osidique et ester, d'écrire le brin complémentaire d'une séquence donnée en respectant la polarité, ou de décrire la double hélice B avec ses dimensions. Pièges classiques : oublier l'antiparallélisme en écrivant le brin complémentaire, confondre nucléoside et nucléotide, ou attribuer la thymine à l'ARN. Un exercice fréquent utilise Chargaff : connaissant le pourcentage de G, calcule celui de A.