ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES B- STRUCTURES SPATIALES C- REACTIVITE CHIMIQUE D- SEQUENÇAGE E- COMPLEXES PROTEINES – ADN/ARN F- COENZYMES D’OXYDO - REDUCTION

ACIDES NUCLEIQUES INTRODUCTION Les acides nucléiques ont été caractérisés chimiquement au début du 20ème siècle même si leur rôle est resté relativement longtemps inexpliqué. Les acides nucléiques (ADN, ARN) sont constituées par des molécules relativement simples que l’on appelle des nucléotides. Les nucléotides sont les briques élémentaires de la transmission de l’information génétique. Ils jouent également un rôle fondamental dans le métabolisme sous forme di- et tri-phosphorylée ainsi que dans la transmission de l’information dans la cellule (AMPc et GMPc).

ACIDES NUCLEIQUES INTRODUCTION Oswald Avery (1944) 1877-1955

S (smooth) R (rough) ACIDES NUCLEIQUES INTRODUCTION Expérience d’Oswald Avery (1944) Travail basé sur une publication de 1928 dont l’auteur est Fred Griffith 2 types de pneumocoques S (smooth) R (rough)

S R ACIDES NUCLEIQUES Expérience d’Oswald Avery (1944) INTRODUCTION Travail basé sur une publication de 1928 dont l’auteur est Fred Griffith S R

S S + R ACIDES NUCLEIQUES Expérience d’Oswald Avery (1944) INTRODUCTION Expérience d’Oswald Avery (1944) S S + R

ACIDES NUCLEIQUES Expérience d’Oswald Avery (1944) INTRODUCTION Expérience d’Oswald Avery (1944) Souche R + protéines de S Souche R + capsule de S Souche R + lipides de S Souche R + acides nucléiques de S Souche R + ac.nucléiq. de S + DNase Souche R + ac.nucléiq. de S + RNase

ADN support chimique de l’hérédité ACIDES NUCLEIQUES DONC ADN support chimique de l’hérédité

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique ACIDES NUCLEIQUES Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique 1869-1940 d’après Phoebus Levene

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

bases puriques (noyau purine) ACIDES NUCLEIQUES 2 sortes de bases azotées hétérocycliques bases pyrimidiques (noyau pyrimidine) bases puriques (noyau purine) N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N 1 2 3 4 5 6

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

bases pyrimidiques ACIDES NUCLEIQUES N H NH2 HN O CH3 ADN/ARN ADN ARN fonction imino-amine fonction amide N H 1 2 3 4 5 6 NH2 HN O CH3 cytosine (C) thymine (T) 5-méthyl-uracile uracile (U) ADN/ARN ADN ARN

Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons ACIDES NUCLEIQUES Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons NH2 H-N 1 2 3 4 5 6 NH2 O H N H+ 3 H N 4 2 3 5 2 6 1 H O N H 1 Echange d’hydrogène entre N1 et N3 Cet équilibre ne concernera pas les bases où N1 est substitué.

99,99% 0,01% ACIDES NUCLEIQUES NH2 HN N H NH O H N H O N H Équilibre amino-imino (cytosine) NH2 HN N H 1 2 3 4 5 6 NH O H N 4 3 5 2 6 1 H O N H 99,99% 0,01% En solution ces 2 espèces moléculaires sont en équilibre (équilibre fortement déplacé vers la forme amino).

ACIDES NUCLEIQUES N H O H+ O H H-N H O N H Équilibre énol-cétone (thymine-uracile) N H 1 2 3 4 5 6 O H+ O 2 1 H H-N 4 3 5 2 6 1 H O N H En solution  forme cétone prédominante quelque soit le solvant (peut être faux pour certaines bases substituées).

ACIDES NUCLEIQUES NH2 NH2 CH3 CH2OH N N H H O O N H N H Il existe des bases pyrimidiques modifiées (chez les phages par exemple…). NH2 NH2 CH3 CH2OH N N 4 4 3 5 3 5 2 6 2 6 1 1 H H O O N H N H 5-méthylcytosine 5-hydroxyméthylcytosine

ACIDES NUCLEIQUES O X HN H O N H X = F, Cl, Br, I Des analogues de l’uracile (5-halogéno-uracile) sont utilisés en thérapeutique anti-tumorale. O X HN 4 3 5 2 6 1 H O N H X = F, Cl, Br, I

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

bases puriques (noyau purine) ACIDES NUCLEIQUES 2 sortes de bases azotées hétérocycliques bases pyrimidiques (noyau pyrimidine) bases puriques (noyau purine) 6 7 N 1 2 3 4 5 6 5 N N 1 8 2 N N 4 9 3

ACIDES NUCLEIQUES adénine (A) NH2 N NH HN N NH H2N O guanine (G) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ADN/ARN HN N NH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H2N O guanine (G) ADN/ARN

Intermédiaire du métabolisme de l’adénine et de la guanine ACIDES NUCLEIQUES D’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine… O O N N HN N O NH NH N H N H xanthine hypoxanthine Intermédiaire du métabolisme de l’adénine et de la guanine

ACIDES NUCLEIQUES caféine O N CH3 théophylline O N NH CH3 D’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine… caféine O N CH3 théophylline O N NH CH3

ACIDES NUCLEIQUES O O HN HN NH N CH3 N théobromine O- D’autres purines existent : xanthine, hypoxanthine, acide urique, caféine… O HN NH N O- acide urique (goutte) théobromine O HN N CH3

7% Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons ACIDES NUCLEIQUES Tautomérie : équilibre impliquant la migration de protons Ici aussi l’équilibre tautomérique est en faveur des formes amino (contre imino) et cétone (contre énol). Parfois les formes tautomères habituellement peu représentées sont en fort pourcentage : thiocétoguanine S HN NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H2N SH 7%

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

ACIDES NUCLEIQUES lmax (nm) e (M-1.cm-1) U T C A G 260 270 245 275 7-8000 13000 11000 8000 Moyenne 260-270 10000

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

C T/U ACIDES NUCLEIQUES H O CH3/H N N H O R R La répartition des électrons à la surface des bases azotées n’est pas uniforme d’où des molécules polarisées. -0,4 +0,22 -0,65 -0,51 +0,2 C H N R O -0,49 -0,45 +0,19 N R O CH3/H H T/U

A G ACIDES NUCLEIQUES H O N H N R R La répartition des électrons à la surface des bases azotées n’est pas uniforme d’où des molécules polarisées. +0,22 -0,52 -0,51 -0,4 -0,55 +0,2 N R H A -0,55 -0,64 -0,4 +0,2 -0,51 N R O H G

N H O ACIDES NUCLEIQUES d+ d- Les densités de charges déterminent les positions et les orientations des liaisons hydrogène. La liaison H est directionnelle i.e. l’interaction est optimale quand les 3 atomes sont dans l’axe (possibilité également avec un angle : interaction plus faible). N H O d+ d- Les flèches expliquent la complémentarité A=T et GΞC. Cependant plusieurs possibilités de liaisons H existent (28 façons dans le couple A/T) : dans la nature, seules certaines interactions sont retrouvées. A côté de l’appariement classique A/T et C/G, il existe des couples G=A ou G=T.

T/U ACIDES NUCLEIQUES O CH3/H N H R devient l’équivalent de C L’équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles. N R O CH3/H H T/U devient l’équivalent de C on peut alors avoir T G

l’hydrogène peut se positionner d’un côté ou de l’autre ACIDES NUCLEIQUES L’équilibre énol-cétone modifie totalement les liaisons hydrogène possibles. H O O H CH3/H CH3/H N N H H O O N R N R T/U T/U l’hydrogène peut se positionner d’un côté ou de l’autre

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

µ = q x NP µ = q x di ACIDES NUCLEIQUES Le moment dipolaire est la grandeur reflétant la polarité d'une molécule. Une molécule présente un moment dipolaire lorsqu’il existe un barycentre des charges positives (point P) distinct du barycentre des charges négatives (point N). Ces barycentres P et N existent lorsque l’on a une différence d’électronégativité marquée entre les deux atomes de chaque liaison. Nobel chimie 1934 µ = q x NP +q -q d µ µ = q x di Normalement exprimée en coulomb-mètre, l'unité courante utilisée est le debye, en honneur du physico-chimiste hollandais Peter Debye. 1 D = 3,3356 x 10-30 C.m

T/U µ ACIDES NUCLEIQUES O CH3/H N H R A, U, T = 3,5 D G, C = 7,5 D Les quatre bases azotées sont des molécules qui possèdent un fort moment dipolaire. Ces moments dipolaires ont une direction précise par rapport à la molécule : N R O CH3/H H T/U µ A, U, T = 3,5 D G, C = 7,5 D Entre deux molécules polaires, les dipôles se placeront de manière antiparallèle : les dipôles jouent un rôle dans l’orientation des bases.

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

vrai aussi pour uracile et thymine ACIDES NUCLEIQUES ACIDES NUCLEIQUES Déprotonation N R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H2N O - N R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H2N O guanosine H pKa=9,4 formes mésomères - N R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H2N O O N H vrai aussi pour uracile et thymine

vrai aussi pour cytidine et guanosine ACIDES NUCLEIQUES Protonation NH2 N R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 adénosine 1 NH2 N R 2 3 4 5 6 7 8 9 H + pKa=3,5 formes mésomères NH2 N R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H + NH2 N vrai aussi pour cytidine et guanosine

 liaisons hydrogène différentes. ACIDES NUCLEIQUES ACIDES NUCLEIQUES H H N H + N N 6 7 1 5 N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H R 8 2 4 3 9 N R N L’adénosine protonée devient double donneur :  liaisons hydrogène différentes.

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique ACIDES NUCLEIQUES Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique 1869-1940 d’après Phoebus Levene

ARN ADN ACIDES NUCLEIQUES 2 sortes de sucres D-ribose D-désoxyribose O 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ D-désoxyribose (2’-désoxyribose) O HOH2C OH H ARN ADN pentoses sous forme furanique (5 atomes dans le cycle)

Liaison base-sucre nucléoside ACIDES NUCLEIQUES N H N H H2O H2O O 1 2 3 4 5 6 8 9 7 N H 1 2 3 4 5 6 H2O H2O 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ O HOH2C OH OH / H OH OH / H 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ HOH2C O on obtient une liaison carbone-azote : liaison N-glycosidique

Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique ACIDES NUCLEIQUES Nucléotides : - base azotée - sucre - acide phosphorique 1869-1940 d’après Phoebus Levene

acide phosphorique : H3PO4 ACIDES NUCLEIQUES acide phosphorique : H3PO4 O-H O H-O P pKa = 2 pKa = 10 pKa = 7 Les différentes fonctions acides ont des pKa avec des valeurs très variables.

- - Liaison acide phosphorique-sucre ACIDES NUCLEIQUES O P OH OH O OH OH / H 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ O HO-H2C H2O OH 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ O CH2 OH / H O P O -

ACIDES NUCLEIQUES nucléotides pyrimidiques NH2 O H H3C N N OH OH N O N 4 6 5 3 5 1 OH 6 2 OH 4 2 1 3 5’ N O 5’ N O O P O CH2 O P O CH2 O O - - O 4’ 1’ O 4’ 1’ 3’ 2’ 3’ 2’ HO H HO H désoxycytosine-5’-monophosphate (dCMP) désoxythymidine-5’-monophosphate (dTMP)

désoxyadénosine-5’-monophosphate désoxyguanosine-5’-monophosphate ACIDES NUCLEIQUES nucléotides puriques NH2 O N N N N 6 6 7 7 OH 5 1 OH 5 1 8 4 2 8 4 2 5’ 9 3 5’ 9 3 N O P O CH2 N O O P O CH2 N N NH2 O - - O 4’ 1’ O 4’ 1’ 3’ 2’ 3’ 2’ HO H HO H désoxyadénosine-5’-monophosphate (dAMP) désoxyguanosine-5’-monophosphate (dGMP)

ACIDES NUCLEIQUES NOMENCLATURE base azotée type de base nucléoside nucléotide purine pyrimidine adénine (ADN/ARN) guanine (ADN/ARN) thymine (ADN) uracile (ARN) cytosine (ADN/ARN) adénosine guanosine thymidine uridine cytidine adénylate guanylate thymidylate uridylate cytidylate Le préfixe désoxy- ou désoxyribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du désoxyribose. Le préfixe ribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du ribose.

ACIDES NUCLEIQUES A- STRUCTURES PRIMAIRES I- Bases puriques et pyrimidiques 1- Pyrimidines 2- Purines 3- Propriétés physico-chimiques a- Absorption U.V. b- Densités de charge et liaisons hydrogène c- Moments dipolaires d- Acidités et sites de protonation II- Nucléosides et nucléotides 1- Structures et nomenclature 2- ADP, ATP, AMP cyclique

 à pH 7, 50% forme protonée, 50% forme déprotonée. ACIDES NUCLEIQUES Dans les cellules les nucléosides sont retrouvés sous forme mono, di- et triphosphates. adénine liaisons anhydride d’acide 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ CH2 HO OH HO P O P O P O O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NH2 - N liaison phosphoester pKa = 7 adénosine AMP ou adénylate ADP ATP La valeur du pKa de la 2nd fonction acide du dernier acide phosphorique est de 7 :  à pH 7, 50% forme protonée, 50% forme déprotonée.

AMP ADP ATP CMP CDP CTP GMP GDP GTP UMP UDP UTP dAMP dADP dATP dCMP ACIDES NUCLEIQUES Dans les cellules les nucléosides sont retrouvés sous forme mono, di- et triphosphates. AMP ADP ATP CMP CDP CTP GMP GDP GTP UMP UDP UTP métabolisme molécules de base de la synthèse d’ARN… dAMP dADP dATP dCMP dCDP dCTP dGMP dGDP dGTP dTMP dTDP dTTP molécules de base de la synthèse d’ADN…

ACIDES NUCLEIQUES ATP AMPc PPi A partir d’ATP, et grâce à une enzyme appelée adénylate cyclase, il y a synthèse d’AMP cyclique. 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ CH2 OH HO P O P O P O O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NH2 - N ATP 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ CH2 O OH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NH2 N P O = - HO P O P OH + AMPc PPi adénylate cyclase