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Biologie moléculaire en 30 fiches - 2e édition

De
160 pages
L'ensemble des notions de biologie moléculaire utiles aux étudiants en L1/L2 sont ici présentées en 30 fiches pédagogiques de 4 à 8 pages. Chaque fiche comprend un rappel de cours, concis et illustré, suivi d'un ou deux exercices d'application dont la résolution détaillée est appuyée par des conseils méthodologiques. Cette nouvelle édition actualisée s'enrichit de nouveaux exercices.
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Philippe LUCHETTA
Biologie moléculaire en 30 fiches
e 2 édition
© Dunod, Paris, 2009, 2013 ISBN 9782100592371
Table des matières
Fiche 1 Fiche 2 Fiche 3 Fiche 4 Fiche 5
Fiche 6 Fiche 7 Fiche 8 Fiche 9 Fiche 10 Fiche 11 Fiche 12 Fiche 13 Fiche 14
Partie 1 Structure Constituants Structure Organisation Compaction Chromatine
Partie 2 Méthodes Purification et quantification Électrophorèse Enzymes spécifiques Carte de restriction PCR Clonage ADNc Hybridation moléculaire Séquençage
Partie 3 Fonctions Fiche 15Gènes Fiche 16Gènes procaryotes Fiche 17Gènes eucaryotes Fiche 18Transcription © Dunod  La photocopie non autorisée est un délit.
1 5 10 13 16
21 25 29 33 37 40 44 48 53
59 64 67 74
T a b l e d e s m a t i è r e s
I I I
Fiche 19Transcription procaryote Fiche 20.Transcription eucaryote Fiche 21.Maturation des ARNm Fiche 22.Régulation de la transcription Fiche 23.Opéron lactose Fiche 24.Traduction Fiche 25.Traduction procaryote Fiche 26.Traduction eucaryote Fiche 27.Régulation posttranscriptionnelle Fiche 28.Réplication Fiche 29.Réplication procaryote Fiche 30Réplication eucaryote
I V
Index
B i o l o g i e m o l é c u l a i r e
79 88 95 103 109 115 122 129 136 140 145 152
155
Constituants
1 FICHE
Les organismes vivants possèdent deux types dacides nucléiques :  LADN(AcideDésoxyriboNucléique).  LARN(AcideRiboNucléique). Ces acides nucléiques sont principalement constitués de bases associées à un sucre.
I Bases Chaque acide nucléique contient quatre bases. Trois dentre elles (adénine, cytosine et guanine) sont communes à lADN et lARN, la quatrième diffère. On trouve la thymine dans lADN et luracile dans lARN. La différence entre ces deux bases porte uniquement sur le carbone n°5 (avec ou sans CH ). On trouve deux catégories de bases (Figure 1.1) : 3  lespurinesconstituées de deux cycles aromatiques ;  lespyrimidinesconstituées dun seul cycle aromatique. Les atomes de carbone et dazote des cycles aromatiques sont numérotés de 1 à 9 (bases puriques) et de 1 à 5 (bases pyrimidiques). Les flèches bleues indiquent la liaison qui se produit entre la base et le sucre.
P U R I N E S
P Y R I M I D I N E S
H
N 7 8 C 9 N
H
NH 2 C 6 C N 5 1
4 2 C C 3 H N
Adénine
NH 2 C H 4 C N 5 3
6 2 C1C H O N
H Cytosine
O
H
N 7 8 C 9 N
C H C H 3 4 C N 5 3
6 2 C1C H O N
H Thymine
© Dunod  Toute reproduction non autorisée est un délit. Figure 1.1
H
C 5
4 C
O C 6
3 N
Guanine
H N 1
2 C NH 2
O
C H H 4 C N 5 3
6 2 C1C H O N
H Uracile
1  C o n s t i t u a n t s
1
II Sucre Le sucre est un pentose composé de 5 carbones numérotés de 1 à 5. Cette numérotation en «  » permet de faire la distinction avec celle des bases. LARN contient duribose alors que lADN contient dudésoxyribose(Figure 1.2). La différence entre ces deux sucres se situe au niveau du carbone 2. On trouve un groupement2OH (ARN)pour le ribose et un2H (ADN) pour le désoxyribose. Cette différence qui semble peu importante a pourtant une conséquence déterminante sur la stabilité de lacide nucléique. Ainsi, à pH alcalin (pH 12), lARN est hydrolysé alors que lADN est stable. Attention à ne pas confondre ici « hydrolyse » et « dénaturation ». On parle de dénaturation lorsque, par exemple à pH alcalin, un ADN double brin se dissocie en deux ADN simples brins par rupture des liaisons hydrogènes. Pour lARN, à ce même pH, le mécanisme est différent car il y aura hydrolyse de la molécule par coupure des liaisons phosphodiester entre les carbones 5 et les carbone 3 des nucléotides adjacents.
HO
5' CH 2
C 4' H H 3'C
OH
O
Ribose
OH
1' C H H C 2'
O
H
Figure 1.2
HO
5' CH 2
4' C H H 3'C
OH
O
OH
C 1' H H C 2'
H
Désoxyribose
III Nucléosides et Nucléotides Nucléosides Le carbone 1 du sucre se lie à lazote de la base (N1 ou N9) pour former unnucléoside. Cette liaison est appeléeNglycosidique. Un ou plusieurs groupements phosphate (P) peuvent se lier avec le carbone 5 pour former un nucléoside phosphate (Figure 1.3). On établit une nomenclature très précise en fonction de la structure de la molécule. Si le sucre est le ribose (ARN), on a la nomenclature NMP, NDP, NTP en fonction du nom bre de groupements phosphate. Si le sucre est un désoxyribose (ADN), on a la même nomenclature précédée dun « d ». Enfin, il faut connaître la position des groupements P er e e à partir du C5 : 1 P enα, 2 P enβP en, 3 γ. Cette nomenclature est importante car, même si elle semble fastidieuse, elle permet de comprendre certaines abréviations de α32 er molécules utilisées en biologie. Par exemple, le PdCTP signifie que le 1 phosphate 32 fixé sur le C en 5 du dCTP est radioactif ( P).
2
B i o l o g i e m o l é c u l a i r e
(d)NMP
O
+ Base
O
(désoxy)nucléoside triphosphate
+ 1 P
(désoxy)nucléoside monophosphate
1
Base
(d)NTP
© Dunod  Toute reproduction non autorisée est un délit.
Uridine
Cytidine
Adénosine
Uracile (U)
C 1' H H 2' C
(désoxy)ribose
Adénine (A)
+ 3P
Guanine (G)
Cytosine (C)
(d)NDP
Thymine (T)
O
O
O
O
O β P
O
O γ P
(désoxy)ribose
(désoxy)ribose
(désoxy)nucléoside diphosphate
C 4' H H 3'C
5' CH 2
(désoxy)ribose
O α P
+ 2P
+ Base
+ Base
+ Base
Guanosine
Figure 1.3
(désoxy)nucléoside
O
NMP (dNMP)
NTP (dNTP)
OH
OH (H)
NDP (dNDP)
Base
Nucléotides Le nucléoside monophosphate est aussi appelénucléotidecar lassociation de plusieurs nucléosides monophosphate entre eux porte le nom dechaîne polynucléotidique (Fiche 2). Le nom donné aux nucléosides ou aux nucléotides en fonction de la base pré sente est différent du nom de la base seule. Par exemple dans lATP, ladénine devient adénosine, dans lUMP, luracile devient uridine, etc.
Thymidine
Nom du nucléoside
1C o n s t i t u a n t s 
3
E x e r c i c e 1. Écrivez la structure à pH 7du désoxyribonucléoside triphosphate contenant de ladénine et du ribonucléoside triphosphate contenant de la thymine. Vous indiquerez sur le schéma la numérotation des carbones du sucre et de la base et la position de la liaison Nglycosidique. 2.appelleton ces deux nucléosides ?  Comment Quelle est leur abréviation ? 3. Ces deux molécules sontelles présentes dans lADN ou dans lARN ?
S o l u t i o n 1.Voir la Figure 1.4. La liaison Nglycosidique est indiquée par une étoile bleue.
NH 2 C N O 6 7 C N 5 1 C 8 H CAdénineHH C 3 4 4 2C N 9C C5 3 3 O O OHThymine N N 6 2 5' C C O1 O P O P O P OCH H O N 2O O O *5' O    O O O4'Désoxyribose1'C C O P O P O P OCH 2 * H H    H HO O O4'C C1' Ribose 3'C C2' H H H H H OH3'C C2'
Figure 1.4
OH
OH
2.À gauche, le désoxyribo adénosine triphospahte (dATP). À droite, le ribo thymidine triphosphate (TTP). 3.Le dATP est présent dans lADN mais sous forme monophosphate (dAMP) tandis que le TTP nest présent ni dans lADN, ni dans lARN. Dans lADN, on aurait le dTTP (sous forme dTMP) et dans lARN, on aurait lUTP (sous forme UMP).
4
B i o l o g i e m o l é c u l a i r e
Structure
I
ARN
2 FICHE
Chaîne dARN simple brin LARN est constitué dun polymère de nucléotides. Les nucléotides sont liés par une liaison phosphodiester. Dans cette liaison, le groupement phosphate entre les deux nucléotides est relié dun côté par une liaison ester au carbone 5 et de lautre côté par une seconde liaison ester au carbone 3. Cette chaîne polynucléotidique est orientée et possède deux extrémités, lextrémité 5Pet lextrémité 3OH(Figure 2.1 page suivante)
Structures secondaires de lARN Selon les types dARN, la chaîne peut être simple brin (ARNm) ou partiellement double brin (ARNr et ARNt). On observe des associations doubles brins si deux séquences sont complémentaires au sein dune même chaîne dARN. Ces associations se font comme dans lADN, entre A et U (2 liaisons hydrogène) et entre C et G (3 liaisons hydrogène). Les structures les plus communes sont l« épingle à cheveux » et la « tige boucle » (Figure 2.2). La différence vient seulement de la taille de la région entre les deux séquences appariées. Il existe dautres structures secondaires plus complexes comme le « pseudonud ».
5'P
5'P
séquences inversées répétées
A U C C G U A C G G A U
ARN linéaire
I I I I I I I I I
3'OH
I I I3I'IOIHI I I
pseudonœud Figure 2.2 © Dunod  Toute reproduction non autorisée est un délit.
U G C C U A
5'P
A C G G A IIUII III III III II
3'OH
épingle à cheveux
U G C C U A
5'P
A C G G A IIUII III III III II
3'OH
tigeboucle
2  S t r u c t u r e
5
C 8
N 7 C 5 C4 3 N
H
O
O
O
O
O
9 N
H
P
H C 5 C6 1 N
1' C H H 2' C
OH
O
C 1' H H C 2'
H
base N°3
H C 5 C6 1 N
C 4' H H 3'C
II
1' C H H C 2'
B i o l o g i e m o l é c u l a i r e
O
O
H
6
5'P
O C 4 3 N 2 C O
O
C 4' H H 3'C
OH
O
NH 2 C 4 3N 2 C O
5' CH 2
Figure 2.1
P
O
base N°1
sens d
e synthèse
NH 2 C 6 1N 2 C H
extrémité 3'OH
ADN
base N°2
CH 5' 2
extrémité 5'P
OH
3'OH
On trouve plusieurs structures en double hélice mais la plus fréquente est celle qui a été décrite en 1953 par James Watson et Francis Crick. Cette structure est appeléehélice Watson/Crickouhélice B. Elle possède certaines caractéristiques :
O
liaison phosphodiester
O
OH
liaison phosphodiester
C 4' H H 3'C
O
5' CH 2
O
P