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BIOLOGIE MOLÉCULAIRE (COURS DE 1ÈRE ANNÉE). PLAN DU COURS INTRODUCTION GÉNÉRALE - Définition : biologie moléculaire STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES.

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1 BIOLOGIE MOLÉCULAIRE (COURS DE 1ÈRE ANNÉE)

2 PLAN DU COURS INTRODUCTION GÉNÉRALE - Définition : biologie moléculaire STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES ACIDES NUCLÉIQUES - Structure : ADN et ARN - Propriétés biologiques et chimiques du DNA ORGANISATION DES GÈNES ET RÉPLICATION DU DNA - Comparaison cellules procaryotes et eucaryotes FLUX DE L INFORMATION GÉNÉTIQUE : MÉCANISMES MOLÉCULAIRES DE L EXPRESSION DES GÈNES - TRANSCRIPTION DU DNA OU BIOSYNTHÈSE DU mRNA - TRADUCTION OU BIOSYNTHÉSE DES PROTÉINES EXPLORATION ET MANIPULATION DES GÈNES : BIOTECHNOLOGIE DE L ADN RECOMBINANT - Clonage des gènes - Transgénèse NOTIONS SUR LA PATHOLOGIE DU DNA - Mutation - notion de thérapie génique (gène médicament)

3 INTRODUCTION GÉNÉRALE Définition de la biologie moléculaire = étude de la vie à l échelon moléculaire : domaine très vaste (trop?) de la biologie. = commande, mise en œuvre et régulation des fonctions moléculaires (cellule, tissu, organisme) S1 S2 Survit division S3 différenciation Mort cellulaire physiologique (apoptose) S4 Biologie du gène = biochimie génomique (Réplication de l ADN) Biosynthèse des protéines = traduction Expression de gènes spécifiques Fragmentation de l ADN

4 ADN = molécule universelle de l hérédité chromosomique (excepté certains virus) n=23 Cellules germinales = gamètes n=232n=46 méiose fécondation mâlefemelle Cellules haploides Cellule diploide Transmission de l ADN = caractères génétiques d un individu Transmission d une altération de l ADN = pathologies moléculaires (mucoviscidose, drépanocytose, myopathies …)

5 -développement -différenciation -métabolisme... Flux de l information génétique Gènes = ADNARN mprotéines réplication transcription traduction ARN t Effets biologiques Régulation : activation ou répression ADN et ARN = commande la vie cellulaire Protéines = effecteurs Altération de l ADN ou ARN protéine défectueuse situation pathologique (ex. cancer)

6 Grandes étapes des avancées en biologie moléculaire 1865 : Travaux de Mendel : (publiés par De Vris en 1900) théorie de l hérédité particulaire : hérédité chromosomique (travaux de Morgan sur la drosophile) Naissance du concept de gène Évolution du concept de gène : hérédité moléculaire Gène = élément sur chromosome, responsable d un caractère 1944 et 1952 : Travaux de Avery (pneumocoques) et Hershey et Chase (bactériophages) : ADN = support physique et chimique des gène 1953 : Watson et Crick : double hélice de l ADN 1957 : gène et structure primaire d une protéine 1961 : Concept de l ARN messager un gène -une enzyme (Jacob et Monod) 1963 : découverte du code génétique (Niremberg, Ochoa et Khoranea) Gène = segment d ADN codant une protéine Naissance de la Biologie moléculaire

7 - Techniques de Séquençage des gènes (application au génome humain) - Clonage moléculaire des gènes ( clonage organismes) - Trans-genèse animal (souris KO) et végétal (OGM) - Usine cellulaire : production de protéines recombinantes (depuis 1980) - Identification de gènes responsables de maladies (mutations : diagnostic) - Traitement des maladies du gène : thérapie génique (maladies génétiques, cancers) - Thérapie cellulaire Depuis 1970 : développement techniques : la révolution génomique (gène =outil = entité manipulable) découverte : - des enzymes de restriction - la transcriptase inverse (ARN ADN)

8 STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS DES ACIDES NUCLÉIQUES

9 ADN = Acide désoxyribonucléique ARN = Acide ribonucléique Acide nucléique (noyau) (+ mitochondries, chloroplastes, procaryotes) Nucléotide = base azotée + sucre (pentose) + acide phosphorique nucléoside Purine Bases Pyrimidine Adénine (A)Guanine (G) Thymine (T) (ADN) Cytosine (C) Uracile (U) (ARN) Bases puriques Bases pyrimidiques = polymères de nucléotides pentose

10 Les différents nucléotides Base purique ou pyrimidique N 9 : base purique N 1 : base pyrimidique = liaison N-glycosidique Pentose - ribose (RNA) OH en 2 - désoxyribose (DNA) H en 2 Groupement phosphate Désoxyadénylate Désoxyadénosine 5 monophosphate (dAMP) (dGMP) Désoxythymidilate Désoxythymidine 5 monophosphate (dTMP) (dCMP) ADN : 4 types de nucléotides

11 ARN Adénylate, adénosine 5 monophosphate (AMP) (GMP) AMPc et GMPc Uridylate, uridine 5 monophosphate (UMP)

12 5 3 ADN ARN Liaison phosphodiester (liaison covalente) Extrémité 5 PO4 libre Extrémité 3 OH libre 5 3 ATCGAATCGA PPPPPOH Extrémité 5 (à gauche) Extrémité 3 (à droite) 5 3 p ATCGA OH ou ATCGA : ordre des bases = information génétique Oligonucléotide polynucléotide Union de plusieurs nucléotides : formation des polynucléotides DNA pol RNA pol C1 C5 C3

13 Structure tridimensionnelle du DNA: la double hélice (Watson et Crick 1953 prix Nobel en 1962)) - 2 chaînes nucléotidiques (2 brins) antiparallèles complémentarité des bases En face de : A on a : T En face de : C on a : G Appariement des bases 5 A C G A. 3 C Brin 1 T 3 G C T. G 5 Brin 2 Raisons de cette complémentarité : 1 - encombrement stérique (purine + pyrimidine) 2 - formation de liaisons hydrogène

14 A T désoxyribose P P P P GC - appariement des bases (stabilité relative, possibilité de dénaturation) - séquence des bases = information génétique Ex : 5 CTAGCGGA 3 3 GATCGCCT 3 Produit = protéine Produit = son musical

15 - conformation spatiale de l ADN Grand sillon Petit sillon Paires de bases Chaîne sucre phosphate ,4 nm (10 pdb) d entre 2 bases = 34A° 2,0 nm Mise en évidence des propriétés biologiques de l ADN Travaux de Morgan : hérédité chromosomique Expérience de transformation des pneumocoques (Avery-Mc Leold-Mc Carty) (1944) Forme S (« smooth »)Forme R (« rough ») Capsule polyosidique virulenteNon virulente Interaction avec des protéines (Facteurs de transcription)

16 Forme S Mort de la souris Forme R La souris reste vivante Forme S tuées par la chaleur La souris reste vivante Mélange forme R + forme S tuées par la chaleur Mort de la souris Conclusion : existence d un principe transformant R en S Expérience complémentaire : préparation d extrait acellulaire de S tuées par la chaleur Forme R + Protéines La souris reste vivante Forme R + ADN Mort de la souris Conclusion : le principe transformant est l ADN

17 Expérience de Hershey et Chase (1952) Bactériophage T2 Capside protéique ADN Problème : ADN ou Protéine qui infecte ? Utilisation de T2 marqués au 32 P ou au 35 S ADN marqué au 32 P Protéine marquée au 35 S Eschérichia coli Séparation bactérie et phages et analyse du contenu de la bactérie : présence de 32 P pas de 35 S ADN pénètre dans la bactérie Multiplication de T2 : 32 P retrouvé dans la descendance ADN = support de l information génétique

18 Structure des acides ribonucléiques (ARN ou RNA) ADN Monocaténaire + court Sucre = ribose Bases A, C, G et U ( T) A U C G Appariement possible - épingles à cheveux (mRNA) - tRNA ARN ribosomial (rRNA) (80%) Ribosomes = usine à protéines de la cellule : RNA (65%) + protéines (35%) Procaryotes (E.coli) 70 S (S = Svedberg) 50 S rRNA 5S et 23 S 34 protéines 30S r RNA 16S (1542 nucléotides) 21 protéines Eucaryotes 80 S 60S 40S ARN messager (mRNA) (F. Jacob et J. Monod 1961) = copie de l un des deux brins ADN d un gène (transcription) Message = Code à trois lettres 3 nucléotides (triplet) = codon spécifique d un acide aminé Décodage : grâce aux tRNA mRNA

19 ARN de transfert = tRNA mRNA codon AA tRNA (adaptateur) Structure en feuille de trèfle d un tRNA Bras DHU Bras acide aminé Bras T C Bras anticodon ribose Dihydrouridine (DHU) ribose 1-méthylguanine Pseudouridine ( Acide aminé Extrémité 5 Extrémité 3

20 Propriétés Physico-chimiques des acides nucléiques absorbance (nm) Simple brin Double brin Absorbance dans l UV DO ADN db [1mg.ml -1 ] = 20 DO ARN ou ADN monocaténaire = 25 Effet hyperchrome Dénaturation thermique Chaleur Intérêt : quantification ADN et ARN pureté des Acides nucléiques Température de fusion ADN dénaturé Tm 80°100° Absorbance 260nm Température °C Tm fonction :- de la taille de l ADN - nombre GC renaturation refroidissement


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