ADN Flashcards
Nucléotides
Unités de base des acides nucléiques (ADN et ARN)
(Nitrogen-containing base, five-carbon sugar, phosphate group(s))
Structure des nucléotides
Nomenclature: base, nucléoside (base + sucre), nucléotide (base + sucre + phosphate)
Bases azotées:
- Purine (plus grosses, 2 anneaux): A, G
- Pyrimidine: T, C, U
- ADN: A, G, T, C
- ARN: A, G, U, C
Sucre des nucléotides
ARN: ribose - instable
ADN: désoxyribose (un O de moins - au 2e carbone) - stable
Sucre des nucléotides
ARN: ribose
ADN: désoxyribose (un O de moins)
Phosphates
Si base est l’adénine (A):
- Adénosine mono-phosphate
- Adénosine di-phosphate
- Adénosine tri-phosphate
(Normally joined to the C5 hydroxyl of the ribose or deoxyribose sugar)
Lien phosphodiester
Dans l’ADN et l’ARN, les nucléotides sont liés par des liens phosphodiester entre les carbones 5’ et 3’ des sucres
Phosphates impliqués dans liens phosphodiesteres confèrent charge négative à l’ADN
Brin amorce (primer strand) & brin matrice (template strand)
Structure de l’ADN
- Structure de l’ADN est une double hélice
- Brins d’ADN ont une polarité 5’ -> 3’
- Brins d’ADN sont antiparallèles et complémentaires
- Chaîne d’ADN est orienté 5’ vers 3’ / appariement de deux chaînes antiparallèles / appariement des bases A-T et G-C
Appariement des bases
Ponts hydrogène
- A-T: 2 ponts hydrogène
- G-C: 3 ponts hydrogène
Squelette de l’ADN = enchaînement des sucres et des phosphates
Position des bases dans la double hélice
Sucres et phosphates à l’extérieur de l’hélice
Bases à l’intérieur de l’hélice
Phosphates = charge négative
Génome haploïde humain:
3 x 10^9 paires de bases = 1-3 mètres dans un noyau de 10 µm
Sillon mineur & sillon majeur
Les protéines qui se lient à l’ADN sont basiques (charge positive) ou acides (charge négative)?
Basiques (charge positive)
Phosphates = charge négative
Structure hélicoïdale de l’ADN
10 paires de nucléotides par tour d’hélice
Caryotype
ADN est enroulé, condensé er recouvert de protéines
Caryo – noyau
23 paires de chromosomes: 22 paires d’autosomes (44) et une paire de chromosomes sexuels (2)
Qu’est-ce la polarité de l’ADN?
Dans l’ADN et l’ARN les nucléotides sont liés par des liens phosphodiester entre les carbones 5’ et 3’ des sucres
- Polarité 5’ pour phosphate
- Polarité 3’ pour OH
Polarité de 5’ vers 3’
La polarité 3’ pour OH va être liée par le phosphate du prochain nucléotide: lien phosphodiester
Group ester = groupe–OR avec un phosphate
Processus :
Phosphates impliqués dans liens phosphodiesters confèrent charge négative à l’ADN
- Par enzyme polymérase
- Nouvelle base arrive pour s’attacher avec ses trois phosphates
- On perd 2 des 3 phosphates!!
- C’est des charges négatives!!
Pourquoi l’ADN est double brin?
Question de stabilité et permet réparation
La double hélice de l’ADN fournit un mécanisme de réplication simple: les deuxbrinssont déroulés pour être séparés et chacun des deux brins sert de modèle pour recréer un brin à laséquencecomplémentaire par appariement entrebases nucléiques, ce qui permet de reconstituer deux hélices d’ADNbicaténaireidentiques l’une à l’autre.
Réplication de l’ADN
Semi-conservative
A lieu lors de l’interphase, dans la phase S
Parent DNA double helix (S strand + S’ strand):
- Template S strand
- Template S’ strand
Éléments requis pour répliquer adéquatement un chromosome
1) Origines de réplication (multiples)
2) Centromère (s’attache au fuseau mitotique)
3) Télomères
Télomères
Requis pour préserver l’intégrité des extrémités des chromosomes
Lieu du début de la réplication
La réplication débute au niveau des origines de réplication
La synthèse d’ADN est bidirectionnelle (bulle de réplication); les deux fourches de réplication s’éloignent dans des directions opposées à partir de multiples origines de réplication
Fourches de réplication en forme de Y - deux fourches de réplication formées à chaque origine de réplication
Origine de réplication
La synthèse d’ADN commence aux origines de réplication (région riche en appariements des bases A-T)
- L’AD est ouvert par des protéines d’initiation
- L’ADN simple brin va servir de matrice
Réplication de l’ADN
Processus enzymatique effectué par l’ADN polymérase qui a plusieurs contraintes:
1) Elle ne peut synthétiser que dans le sens 5’ - 3’ - ne peut pas initier la réplication, doit ajouter un nouveau nucléotide à un bout 3’ déjà existant
2) Elle requiert une matrice (brin matrice à copier, région simple brin)
Synthèse de l’ADN
Brin matrice, brin complémentaire et amorce
Un brin d’ADN sert de matrice pour la synthèse du brin complémentaire par addition de nucléotides de façon complémentaire (complémentarité des bases)
Ajout du nucléotide à l’extrémité 3’ du brin amorce
Énergie pour la polymérisation
Les nucléotides triphosphates fournissent l’énergie requise pour la polymérisation
L’ADN polymérase couple la libération d’énergie à la réaction de polymérisation
Brin matrice et brin complémentaire
C’est l’énergie libérée par la coupure de 2 phosphates (sur 3, car les nucléotides ajoutés sont des nucléotides triphosphates) liés au nucléotide servant à la synthèse qui permet la réplication
Efficacité de l’ADN polymérase: 100 nucléotides à la seconde chez l’humain (réplication totale du génome en 6-8 heures)
Brin matrice et brin complémentaire
C’est l’énergie libérée par la coupure de 2 phosphates (sur 3, car les nucléotides ajoutés sont des nucléotides triphosphates) liés au nucléotide servant à la synthèse qui permet la réplication
Efficacité de l’ADN polymérase: 100 nucléotides à la seconde chez l’humain (réplication totale du génome en 6-8 heures)
Processus de réplication
1) L’origine est reconnue par des protéines d’initiation qui ouvrent l’hélice séparant les brins
2) Liaison de l’hélicase (fonction d’ouvrir l’ADN double-brin, dézipe l’ADN)
3) Liaison de la primase (fait des petites amorces en ARN)
4) Formation du complexe primase-hélicase
Fourche de réplication
Au niveau de chaque fourche de réplication, la synthèse d’ADN se fait sur les deux brins
Les deux brins d’ADN nouvellement synthétisés ont une polarité inverse
Brin conducteur et brin retardé
Brin conducteur: synthèse d’ADN continue à partir d’une seule amorce
Brin retardé (tardif): doit être synthétisé de façon discontinue, sous forme de courts fragments (fragments d’Okasaki) qui seront ensuite réunis bout à bout
Nick
Brèche ou coupure simple brin
Rupture (manque) d’un lien phosphodiester
Entre deux fragments d’Okazaki donnés
Enzyme qui selle nick
Enzyme ADN ligase va seller cette brèche entre deux fragments d’Okazaki en créant un lien phosphodiester créant une continuité dans le brin d’ADN
Fragments d’Okazaki
Eucaryotes: primase ajoute une amorce d’ARN de 10 nucléotides à tous les 200-300 nucléotides
E. coli: amorce est de 5 nucléotides et fragments d’Okazaki de 1000 nucléotides
Processus de seller les nicks
- L’ADN polymérase avance jusqu’à l’amorce suivante
- Une activité ribonucléase élimine l‘amorce en ARN
- Une ADN polymérase de réparation complète l’ADN entre les fragments d‘Okazaki
- Une ligase selle le « nick »
Principales protéines impliquées dans la réplication chez E. coli
Primase, ADN polymérase III, ADN polymérase I, ADN ligase, sliding clamp, SSB protéine, hélicase
Primase
ARN polymérase qui ne requiert pas d’amorce pour polymériser des ribonucléotides
Synthétise des amorces d’ARN à partir d’une matrice d’ADN
ADN polymérase III
Utilise les amorces d’ARN sur le brin retardé pour synthétiser les fragments d’Okazaki du brin tardif
Une seule amorce d’ARN est requise pour synthétiser le brin conducteur
ADN polymérase I
Enzyme avec deux activités requises:
1) Activité de nucléase (enlève l’amorce d’ARN)
2) Activité d’ADN polymérase dite de réparation
ADN ligase
Enzyme qui lie deux bouts d’ADN en créant un lien phosphodiester et en utilisant de l’ATP
Sliding clamp
Clamp coulissant protéine circulaire maintient l’ADN polymérase et l’ADN pendant la synthèse d’ADN
SSB (single stranded binding) protéine
Protéine fixant l’ADN simple brin, dont sont rôle est d’empêcher ce brin de s’apparier avec son brin complémentaire
Hélicase
Sépare les brins
Protéines de liaison à l’ADN simple brin maintiennent brins séparés
Topoisomérase
- Avec l’avancement de la fourche de réplication, à mesure que l’hélicase ouvre l’hélice double brin, il en résulte un super-enroulement en aval de la fourche
- La topoisomérase relâche ce stress en faisant une coupure simple-brin dans l’ADN, en aval de la fourche de réplication, et en religant le brin d’ADN coupé
Réplication des télomères - problème
Problème de la synthèse discontinue:
Après dégradation de l’amorce en ARN il reste un bout de matrice non répliqué des brins tardifs aux extrémités du chromosome (les télomères)
Car l’ADN polymérase ne peut pas démarrer la synthèse d’ADN dans le vide, elle a besoin d’un bout 3’-OH de l’amorce
La primase a besoin d’une matrice pour synthétiser l’amorce
À chaque réplication on perdrait un bout d’ADN
Réplication des télomères - solution
L’enzyme télomérase ajoute une séquence répétée 1500 fois (TGGGGTTG - environ 10 000 nucléotides répétés) d’ADN à l’extrémité 3’-OH du brin matrice du brin tardif
Sa composante ARN complémentaire (3’ - ACCCCAAC - 5’) sert comme matrice pour sa composante protéique qui fait la synthèse des segments répétés et de l’élongation du brin dans le sens 5’-3’
Cela permet d’allonger l’extrémité des chromosomes et d’assurer leur intégrité lors de la réplication
Télomérase
1) Partie protéique: activité d’ADN polymérase capable d’utiliser de l’ARN comme matrice (= activité de ‘reverse transcriptase’)
2) Partie ARN = matrice d’ARN faisant partie intégrante de la télomérase (3’ - ACCCCAAC - 5’)
Mécanisme de la télomérase
Extension du brin complémentaire au brin retardé: la télomérase agit comme une polymérase utilisant son ARN comme matrice
La télomérase se re-apparie avec l’extrémité de la séquence ajoutée plusieurs fois ici: plusieurs séquences répétées peuvent ainsi être ajoutées en tandem
Le brin tardif est complété par l’ADN polymérase alpha qui porte une activité primase
Activité des télomères
La télomérase est uniquement active dans les gamètes et les cellules souches (cellules non différenciées et cellules embryonnaires)
Le vieillissement est en partie dû à la perte de l’activité télomérase dans les cellules somatiques ce qui raccourcit progressivement les télomères
Perte de télomère
En moyenne, il y a environ 10 000 nucléotides répétés dans le télomère et une perte de 200 à 300 nucléotides à chaque réplication
Il y a une réactivation de la télomérase dans certains types de cancer
Erreurs dans la séquence d’ADN
- Des erreurs d’incorporation de nucléotides peuvent survenir pendant la réplication de l’ADN
- L’ADN des cellules subit constamment des lésions provoquées par le métabolisme (pH, reactive oxygen species), les radiations (UV, rayon X, etc.), des composés chimiques dans l’environnement
Qu’advient-il d’un changement de nucléotide s’il n’y aurait pas de correction?
Une mutation peut survenir durant la réplication due aux rares erreurs faites par l’ADN polymérase (erreur de la machinerie réplicative)
Si pas de réparation: au cycle de réplication suivant, une des molécules d’ADN sera mutée de façon permanente et la mutation sera transmise et perpétuée
Importance de la réparation de l’ADN
- Une erreur dans la séquence d’ADN si n’est pas corrigée est transmise, elle devient une mutation
- Si les mutations surviennent dans l’ADN de cellules germinales (gamètes: ovules et spermatozoïdes), elles seront héritées par la descendance
- Ces changements dans la séquence de l’ADN peuvent causer des maladies héréditaires (Drépanocytose, Fibrose kystique, cancer, etc., etc.)
- Des mutations dans l’ADN de cellules somatiques peuvent être à la base du cancer (accumulation de 4-5 mutations dans une cellule)
Fibrose kystique
Mutation dans des cellules germinales (hérédité)
Maladie autosomale récessive
Mutation la plus fréquente (80%)
∆F508, délétion de 3 nucléotides qui codent pour la phénylalanine 508 du canal chlore CFTR
Mécanismes de réparation de l’ADN
1) Réparation durant la synthèse de l’ADN: proofreading
Vérification et autocorrection par l’ADN polymérase
2) Correction post-réplicationelle des mésappariements: DNA mismatch repair system
Reconnaissance du nucléotide mal incorporé, excision et réparation
3) Réparation des lésions par excision: excision repair
Les bases mutés par déamination, dépurination, radiation (UV dimères de thymine) sont reconnues par de nucléases et excisées
Ensuite, repolymérisation par l’ADN polymérase de réparation et ligation
Comment la réparation est possible?
La réparation est possible grâce à la nature de la double hélice d’ADN
Comme l’ADN est double brin, la réparation du brin muté est faite en utilisant le brin indemne comme matrice
En général, les nucléotides erronés et ou endommagés sont reconnus comme mésappariements causant une torsion, une déformation de la double hélice
Correction co-réplicationnelle / sur épreuve (proofreading)
Au cours de la synthèse de l’ADN, l’ADN polymérase vérifie son propre travail et le corrige au besoin
- Vérification par la polymérase lors de l’appariement des bases
- Reconnaissance des mauvais appariements par déformation de l’hélice (les ponts H sont différents)
- Activité exonucléase de la polymérase : elle détache le mauvais nucléotide par hydrolyse du lien phosphodiester en reculant et agit ainsi en exonucléase
- L’action régulière de polymérisation de la polymérase est reprise
Grâce à ce processus, il ne survient qu’environ 1 erreur résiduelle/10 000 000 nucléotides
Vérification et édition de l’ADN néosynthétisé (pendant la réplication)
- Lors de la réplication, l’ADN polymérase vérifie si un nucléotide ajouté dans un brin d’ADN en croissance est incorrect
- L’ADN polymérase détache le nucléotides incorrects et le remplace par le nucléotide correct avant de continuer.
- L’ADN polymérase a un site catalytique de polymérisation (P) et un site d’édition (E) pour l’excision et la correction
- Si un nucléotide ajouté dans un brin d’ADN en croissance (en rouge) est incorrect, ce brin se déplace temporairement vers le site E pour correction
Correction post-réplicationnelle de mésappariements (DNA mismatch repair)
- Les mésappariement causent une distorsion de la double hélice, qui est détectée par des protéines spécifiques
- Le protéines de reconnaissance forment un complexe qui recrute une exonucléase (Exo1) *
- Une portion du nouveau brin incluant le nucléotide erroné est dégradée par l’exonucléase
- Réparation de cette lacune par l’ADN polymérase et ligation
DNA mismatch repaire
- Ce mécanisme est spécifique au nouveau brin, donc celui-ci doit être identifié en tant que tel
- Chez les bactéries comme E. coli, cette reconnaissance est faite grâce à que le nouveau brin n’est pas immédiatement méthylé
- Chez d’autres organismes, on suppose que le brin néosynthétisé contient des « nicks » qui aident à l’identifier (par méthylation aussi possible, car l’ADN est méthylé après synthèse)
Endonucléases vs. exonucléases
Endonucléases: clivent à l’intérieur de la molécule d’ADN produisant un nick si elles agissent sur seule brin ou une coupure si elles agissent sur les deux brins
Exonucléases: digèrent un brin d’ADN dans la direction 5’ à 3’, soit de 3’ à 5’, selon le type d’exonucléase
Pour qu’une exonucléase puisse agir il lui faut un bout 5’ ou 3’ libre, elle ne peut pas agir à l’intérieur de la molécule d’ADN
Un nick fournit à la fois un bout 5’ et un bout 3’
Dépurination
- Des collisions thermiques entre molécules causent la perte de purines (G, A) de certains nucléotides
- Ceci ne casse pas le squelette phosphodiester de l’ADN, mais génère des lésions que l’on peut comparer à des dents manquantes
Désamination
Le métabolisme peut causer la perte groupement amino de cytosines causant la transformation en base uracile (qui est non-complémentaire à la base située sur l’autre brin d’ADN)
- Pas de perte de base dans ce cas-ci
Dimères de thymine
Les rayons UV du soleil peuvent endommager l’ADN en provoquant la formation de liens covalents entre deux thymines adjacentes
Dimère de thymine: bris du double lien C-C à l’intérieur du cycle de la base et formation d’un lien covalent avec la base inférieure ou supérieure sur le brin
