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Le noyau et les acides nucléiques A- Importance du noyau dans la cellule 1- Expérience de mérotomie chez lamibe Résultats : le fragment nuclée vit, croit,

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1 Le noyau et les acides nucléiques A- Importance du noyau dans la cellule 1- Expérience de mérotomie chez lamibe Résultats : le fragment nuclée vit, croit, et peut donner naissance à deux cellules filles. le fragment annuclée régresse, et meurt en quelques jours. Conclusion: le noyau est indispensable à la vie de la cellule Il joue un rôle fondamental dans la division cellulaire I- Le noyau

2 Acetabularia mediterranea 2- Expérience de transplantation de noyau chez les acétabulaires: (algues unicellulaires) Acetabularia crenulata Le noyau dA. crenulata est transplanté dans le stolon ou pied dA. mediterranea. - la première expérience nous rappelle les résultats trouvés chez lamibe lhybride (G) est viable et le chapeau régénéré après la greffe a une forme intermédiaire entre celui des deux espèces utilisées.

3 Acetabularia mediterranea Acetabularia crenulata Si lon sectionne une deuxième fois laxe, le second chapeau régénéré est typiquement celui de lespèce donatrice du noyau (A. crenulata). Les caractères cytoplasmiques se modifient progressivement dans le sens de lespèce qui a donné le noyau.

4 le noyau a une action spécifique, il contient une substane diffusible, porteuse de linformation génétique spécifique. Le noyau transmet son information aux cellules filles Conclusion

5 Elle est comparable dans la majorité des cellules. 1- Lenveloppe nucléaire: B- Structure du noyau interphasique Elle entoure le noyau. Elle appartient au système membranaire de la cellule. Elle est formée de deux membranes concentriques plus au moins parallèles entre elles : -- la membrane interne au contact du nucléoplasme. --la membrane externe tapissée de ribosomes au contact du cytoplasme.

6 Les deux membranes sont séparées par un espace clair de 150 à 300 Å de largeur = espace périnucléaire. Lenveloppe nucléaire présente des discontinuités circulaires = pores nucléaires de 100 à 300 nm de diamètre mettant en communication lintérieur du noyau et le cytoplasme. Ces pores occupent 5 à 30 % de la surface du noyau (selon létat physiologique du noyau)

7 2- Le nucléplasme: il contient: _un ou plusieurs nucléoles (1 à 3 µm de diamètre). _la chromatine sous deux formes : lhétérochromatine (inactive et condensé) et leuchromatine (active et dispercée). L'hétérochromatine est localisée principalement en périphérie du noyau et du nucléole tandis que l'euchromatine est répartie à l'intérieur du nucléoplasme Chromatine = ADN + protéines de liaison Histones riches en acides aminés arginine et lysine qui assurent des liaisons fortes avec lADN Protéines non histones en très petites quantités. Micrographie électronique représentant un noyau cellulaire (grossissement 15400) : E=euchromatine; H=hétérochromatine; Nu=nucléole; En=enveloppe nucléaire, RE= réticulum endoplasmique (d'après Wheater, Burkitt et Daniels).

8 Lassociation ADN + protéines histones se fait selon un modèle bien défini = le nucléosome qui constitue le premier niveau de compaction de l'ADN dans le noyau. Cette structure est ensuite régulièrement répétée pour former le nucléofilament ou fibre nucléosomique. qui peut, lui-même, adopter des niveaux d'organisation plus compacts. Cest le degré plus au moins accentué de la spiralisation et de la compaction de la fibre nucléosomique qui engendre les deux aspects de la chromatine : lhétérochromatine et leuchromatine liés à des états fonctionnels différents de lADN. fibre nucléosomique

9 La restructuration de la fibre chromatinienne est très précoce et très rapide. LADN sassocie aux octamères dhistones presque immédiatement après la synthèse (moins de deux minutes). Chromatine condensée(cellules en interphase) fibre de 30nm chromatine décondensée Nucléosomes: Microscopie électronique

10 3-La lamina Cest un réseau protéique dont lépaisseur varie selon le type cellulaire (30 à 100nm) et qui relie la membrane interne du noyau à lADN chromatinien. C- Les activités physiologiques du noyau 1-Réplication de lADN; 2-Synthèse des ARNm, des ARNr, des ARNt à partir dunités de transcription sises dans la chromatine et le nucléole; 3-Lieu de maturation post-transcriptionnelle des ARN.

11 II-Les acides nucléiques (A.N) A- Structure des acides nucléiques Les acides nucléiques sont les plus grandes macromolécules naturelles. Ce sont des polymères de nucléotides. Il existe deux types dacides nucléiques: -lacide désoxyribonucléique (ADN) -lacide ribonucléique (ARN).

12 Il est formé dune base azotée (purine ou pyrimidine), dun glucide en cinq carbones ou pentose (ribose ou désoxyribose) et de lacide phosphorique. 1- Le nucléotide = unité de base des AN. Lorsque ces sucres sont dans les nucléotides, la numérotation des atomes de carbone est affectée d'un prime : 1', 2',...

13 Un nucléoside est formé par une liaison N-osidique qui met en jeu le carbone C1 du ribose ou du désoxyribose et l'azote 1 de la pyrimidine ou l'azote 9 de la purine. Un nucléotide contient en plus au moins un groupe phosphate. Cest un ester phosphate du nucléoside

14 N.B Les nucléosides di et triphosphates (NDP et NTP) Le groupe phosphoryle d'un nucléotide monophosphate peut être de nouveau phosphorylé 1 fois par création d'une liaison anhydre pour obtenir le nucléoside diphosphate ou 2 fois pour obtenir le nucléoside triphosphate. Les NDP et NTP sont des polyacides (acides polyprotiques) relativement forts qui peuvent libérer trois ou quatre protons.

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16 En milieu acide, les liaisons anhydrides sont facilement rompues et le phosphate inorganique (Pi) est libéré. Les NTP sont des transporteurs d'énergie. L'hydrolyse de la liaison anhydride terminale (par l'intermédiaire d'une ATPase) est la principale source d'énergie chimique cellulaire. L'adénosine 5'-diphosphate (ADP) fait partie de la structure de 2 coenzymes d'oxydo- réduction importants : le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) et le flavine adénine dinucléotide (FAD). Les anions phosphates des NDP ou NTP forment des complexes stables avec des cations divalents comme Ca ++ et Mg ++.

17 Les nucléotides constitutifs de lADN et de lARN ne diffèrent que par la nature du sucre (comportant ou non un groupement hydroxyle OH) et par la nature dune base (T pour lADN et U pour lARN).

18 2-Structure primaire des Acides nucléiques : Le polynucléotide Les A.N sont des polymères linéaires de nucléotides monophosphates unis entre eux par des liaisons covalentes= liaison diester phosphoriques. Le groupement phosphate relie le carbone 3 du nucléotide en amont avec le carbone 5 du nucléotide en aval. Le brin dacide nucléique est orienté de lextrémité 5 du pentose constituant du premier nucléotide à lextrémité 3 du carbone porté par le pentose du dernier nucléotide de la séquence.

19 Plusieurs millions de monomères ADN Quelques dizaines de centaines ARN Le squelette du polynucléotide est orienté : les nucléotides situés aux deux extrémités de la molécule présentent: -lun une fonction 5phosphate(5P) libre; -lautre une fonction 3hydroxyle (3OH) libre. Lenchainement des nucléotides lors de la synthèse des A.N procède toujours dans le sens 5 3 et les nucléotides sont désignés par linitiale de leur base (voir tableau) Exemple : 5P T A C C G T T C A 3OH

20 3-Caractéristiques de lADN --le rapport (A+T)/(C+G) varie beaucoup : il est caractéristique de lespèce. Ce coefficient est appelé coefficient de Chargaff. Ce qui illustre la loi de complémentarité des bases : - A et T sont complémentaires et reliées par deux liaisons H - C et G sont complémentaires et reliées par trois liaisons H --Dans toute molécule dADN, les rapports suivants sont respectées :

21 -- Dautres part, les liaisons Hydrogène établis entre les bases ne seraient possibles que si les deux chaines polynucléotidiques de lADN sont anti-parallèles shématisés ainsi : ADN bicaténaire 5P 3OH 3 OH 5 P --LADN est donc doté dune structure secondaire (modèle de Watson et Crick),. Cest une molécule bicaténaire constitué de deux chaines polynucléotidiques unis par des liaisons Hydrogène (liaisons H) qui sétablissent entre une base purique et une base pyrimidique.

22 -- La structure tertiaire ou spatiale de lADN en solution (compte tenu des contraintes exercées par les interactions entre les deux chaines) est une double hélice. La configuration la plus fréquente est la double hélice à rotation droite avec un diamètre de 2,4 nm. Le pas de lhélice est de 3,4nm (10,5 paires de bases pour un tour complet de spire).

23 -- Chez les procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau), tels que les bactéries, lADN est en général présent sous la forme dun seul chromosome circulaire superenrouléprocaryotes --Dans les mitochondries et les chloroplastes, l'ADN peut prendre de nombreuses formes différentes, circulaires, linéaires ou encore ramifiés.mitochondrieschloroplastes Remarques

24 --La séparation des deux chaines de lADN peut être provoquée expérimentalement (60 à 90°C) par rupture des liaisons hydrogène. LADN simple brin est dit dénaturé (monocaténaire). Cette dénaturation est réversible. --Quand la double hélice est circulaire (bactérie), on agit dabord en provoquant un clivage de la liaison diester phosphorique par la désoxyribonucléase.

25 4-Caractéristiques de lARN -La longueur et le poids moléculaire << ADN -Durée de vie courte -Grande hétérogénéité structurale et fonctionnelle. -Molécules monocaténaires mais capables dadopter des formes spatiales diverses en fonction du nombre et de la séquence de bases complémentaires qui peuvent sapparier donnant ainsi une forme déterminée à lARN.

26 Les principaux types dARN sont les suivants: ARN r = ribosomique, 80% du total 28 S, 5200 nt 18 S, 1800 nt 5 S, 120 nt ARNt = de transfert, 15% du total 80 nt, 60 espèces différentes ARNm = messager, env. 3% du total 150 à 5000 nt hnRNA = précurseurs des messagers, trouvés dans le noyau snRNA = RNA structuraux du noyau, impliqués dans la maturation du mRNA scRNA = RNA structuraux du cytoplasme Les différents types de lARN

27 Chaque ARNt contient quatre parties principales : trois bras terminés par des boucles et un bras terminé par les extrémités 3 et 5 de la molécule. La structure tertiaire est fortement repliée du fait de liaisons hydrogène entre les bases distantes. Cependant, lextrémité 3 et la boucle anticodon restent dégagée et donc accessibles. Codon de lARNm -un fort pourcentage de bases modifiées L ARNt dite en feuille de trèfle. Exemple : L ARN de transfert

28 B-Réplication de lADN 1- Mode « semi- conservatif »de la réplication (hypothèse retenue) -Synthèse de deux nouvelles chaînes, chaque brin de la molécule parentale servant de matrice pour la synthèse dun nouveau brin complémentaire (confirmé par les expériences de Meselson et Stall) Avant toute division cellulaire, la quantité dADN est multipliée par deux. Les mécanismes de réplication de lADN conditionnent donc le déroulement de la division cellulaire.

29 2- Agents de la polymérisation de lADN Il sagit denzymes : ADN polymérases (ADN-pol) Chez les procaryotes : trois types dADN-pol ont été purifiées (I, II, III) Propriétés communes aux ADN –pol I et III Action polymérasique qui consiste à : -sélectionner les nucléotides triphosphate en f (la loi de complémentarité des bases) -associer les nucléotides les uns aux autres en les transformant en nucléotides monophosphate par élimination dun groupement pyrophosphate - assurer lélongation de la chaine polynucléotidique dans le sens 5P 3 OH. (Mg2+). Pour toute activité polymérasique, les ADN pol exigent une amorce faite par une enzyme = primase

30 Cest lagent réparateur de lADN, elle possède Action exonucléasique - une activité exonucléasique 3 5' fonction d'édition qui permet d'exiser une base eronnée au cours de la réplication -LADN pol II : rôle inconnu Propriété propre à lADN –pol I activité exonucléasique 5 3 Lactivité exonucléasique 5'->3': permet d'éliminer les amorces ARN en fin de réplication afin de les remplacer par de l'ADN.

31 2-2- Chez les eucaryotes : quatre types dADN-pol ont été identifiées

32 3- Initiation de la réplication Chez les procaryotes : bactéries et les virus qui contiennent une molécule dADN bicaténaire circulaire, la réplication débute au niveau dun seul point dinitiation. Chez les eucaryotes, il existe de nombreux points dinitiation de la réplication

33 a-Désenroulement de lhélice grâce à un enzyme la topoisomérase de type I qui couperait un brin de la molécule parentale au site dinitiation et aurait ainsi la capacité déliminer les super-enroulements de la molécule dADN. 4- Déroulement de la réplication

34 b-Séparation des deux brins par rupture des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires par une ADN hélicase 3- Déroulement de la réplication

35 c- Redressement des deux brins de la chaine dADN matrice par des protéines de déstabilisation de lhélice pour faciliter le processus de polymérisation 3- Déroulement de la réplication

36 d- La synthèse de lADN débute en des sites définis du brin matrice par la synthèse dun petit ARN amorce ou ARN promoteur (4 à 12 nucléotides) synthétisé par une enzyme= ADN primase en association avec un complexe polypeptidique =primosome.

37 e- LADN polymérase III prend la relève et permet la synthèse de lADN complémentaire à la matrice parentale. Cette synthèse se fait sur le brin conducteur dune manière continue dans le sens 5 3, (sens coïncidant avec celui de la progression de la fourche de réplication).

38 Le brin retardataire est, lui, polymérisé de manière discontinue sous forme de courts fragments appelés fragments dOKASAKI, synthétisés dans le sens 5 3, (direction qui dans ce cas est inverse à celle de la progression de la fourche de réplication).

39 f- La synthèse discontinue aboutit à une césure (lacune) entre lextrémité 3 dun fragment dOkazaki et lextrémité 5 de lamorce dARN du fragment dOkazaki suivant. lADN polymérase I vient se fixer sur Les lacunes. Elle allonge le fragment dOkazaki par son activité de polymérase 5®3 et retire lamorce d ARN du fragment dOkazaki suivant par son activité dexonucléase 5® 3.

40 g- Enfin, une enzyme de liaison = lADN ligase relie les fragments dOKASAKI entre eux.

41 Résumé Toutes les enzymes intervenant dans la réplication de lADN : 1- La topoisomérase 2-LADN hélicase 3-Les protéines déstabilisatrices de lhélice ou stabilisatrices du brin dADN 4-LADN primase 5- LADN polymérase III ADN pol α (noyau) -LADN polymérase II Procaryotes ADN pol β (noyau) Eucaryotes -LADN polymérase I ADN pol Ϫ (noyau) γ ADN pol(mitochondries) 6- ADN ligase


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