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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