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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier

Interactions Protéine-Acide Nucléique Généralités sur les structures des acides nucléiques, ADN, ARN

Watson & Crick building the original model of DNA at the MRC Unit in 1953. Ils ont découvert la structure d’ADN qui l’ont décrit comme une structure hélicoïdale. Rosalind Franklin, 1952, Image de diffraction aux rayons X de la forme B de l’ADN. Ils ont réalisé qui n’avait pas une mais deux hélices, ils on avait compris comment traduire ou transcrire la structure. Watson et Crick avaient trouvé très rapidement la structure hélicoïdale de la structure ADN. Rosalind Franklin a aussi participé à cela mais est décédée bien avant la remise du prix Nobel. Elle obtient une première image de diffraction. Les acides nucléiques sont des composés quinaires (CHONP), formés par des nucléotides liés par des liaisons phosphodiester. L’unité minimale est un nucléotide. Sa fonction est de stocker et de transmettre des informations génétiques et de transcrire des informations à la cellule pour remplir une fonction. Les nucléotides sont formés par un groupe phosphate, une base azotée et du sucre pentose (C5). Mais quand ils sont joints à un autre nucléotide, c'est par liaison phosphodiester. Le pentose dépend de son appartenance à l'ADN ou à l'ARN. S'il est présent dans l'ADN, il s'appelle désoxyribose. S'il est présent dans l'ARN, il s'appelle Ribose. Structure chimique et composition Les bases individuelles sont les pyrimidines et puriques. Pyrimidine sont Cytosine, Uracile et Thymine et Puriques sont Adénine et Guanine les purique ont 2 anneaux ou double cycle et les pyrimidines une. L’ADN (acide désoxyribonucléique) peut contenir Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine et l’ARN (acide ribonucléique) peut contenir Adénine, Guanine, Cytosine et Uracile. Dans les atomes de 90

Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier chaque base il y a des numéros est important car quand on étudie la structure et une interaction on donne le numéro de tous les atomes. Importante différence ARN- ADN : le sucre (pentose) L’importante différence entre l’ARN et l’ADN est le sucre. Il faut aussi se souvenir des numéros des bases et savoir dessiner les bases. Dans cette image les numéros sont en prime dans le sucre qui sont deux types : ribose pour l’ARN et Désoxyribose en position 2’pour l’ADN. Les numéros primes sont importants pour distinguer entre les numéros des atomes des bases. Le 2’ pour l’ADN va engendre des conditions chimiques et

structurales pour la stabilisation. Autre différence est que l’oxygène dans la position 2’ est présent dans la Ribose mais absent dans le Désoxyribose. La base s’unie a 1’ du pentose et en position 5’ il y a un OH qui sorts de cette position pour s’unit le group phosphate. Les puriques sont attachées au pentose par l'azote en position 9 et les pyrimidines par l'azote en position 1.

L’importance de toujours la numérotation des atomes dans des bases. Pour la nomenclature Rappels : - Nucléoside = base + sucre (ribose pour ARN et 2-déoxyribose pour ADN) - Nucléotide = nucléoside + phosphate(s). Selon la quantité de phosphates, les nucléotides peuvent être de types différents pour leur nomenclature tels que l'ADN, l'ARN, l'ATP, l'AMPc. NADH, FADH2, NADPH etc.... Exemples dans les figures suivants.

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Comment ils sont organisés, il y a des interactions entre différents modules de base, sucre et phosphate qui va faire une polarité (comment le fait sur la chaine polypeptidique) sur le nucléotidique qui va de 5’ début de la polymérisation a 3’ libre a la fin de la polymérisation. Les phosphates lient les sucres (ribose ou désoxyribose) entre eux en reliant le carbone 3' d'un sucre au carbone 5' du suivant. -> Polarité de la chaîne. Pour la double hélice, il y a un appariement avec une autre hélice s’appelle Watson-Crick : A=T et C≡G. Appariement de deux chaînes en position antiparallèle (car contraintes stériques) 5’- ………. -3’ 3’- ………. -5’ Il y a deux purines et deux pyrimidines qui se couple et deux cycles différents. Cette régularité permet à la molécule d’ADN de s’enrouler. Ces appariements standards ne sont pas uniques. Ils s’apparient de manière antiparallèle pour des raisons stériques. Les phosphates lient les sucres (ribose ou désoxyribose) entre eux en reliant le carbone 3' d'un sucre au carbone 5' du suivant, la chaine a une polarité et l’appariement des deux chaines se faire antiparallèle. L’ADN-B est le même ADN de Watson-Crick. Il s’appelle B parce qu’il est différé d’A pour les conditions salines d’échantillon physiologique. Le B est le standard, l’ADN-B est le plus étudié et c’est notre ADN. Il y a une caractéristique géométrique 10 paires de bases par tour d’hélice, un pas de l’hélice de 3,4 nm. La distance entre l’hélice alpha des protéines et les 93

Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier doubles hélices des acides nucléiques est petite. La rotation par résidu est de 36°, car évidement 360o/10 paires=36o. Plus important, de point de vue structural est le sillon. La structure tourne avec la double hélice, le sillon est difficile de le voir. Il y a deux chaines qui s’enroulent une au tour de l’autre, si on suivi la chaine nucléotidique on a un sorte de crête, quand les deux chaines sont proche. Il y a un petit (la distance petite entre les deux lignes de crête) et un grand sillon (grand espace entre les deux lignes de crête). Cela est important pour les molécules qui vont se lier à la molécule d’ADN. Dans le sillon il n’y a pas accessibilité de la même façon car il n’y a pas les mêmes atomes.

L’image montre le squelette sucrephosphate, tous les atomes qui regarde le petit sillon et au grand sillon ; dans le petit sillon, les atomes sont peu accessibles par rapport des atomes de base de grand sillon. Tous les atomes qui pointent dans le grand sillon et qui sont degallé dans l’espace seront beaucoup plus accessibles que quelques atomes dans le petit sillon qui seront plus contraintes ou restreintes cachés derrière le squelette sucre-phosphate. Ça s’engendre une accessibilité très diffèrent des atomes des bases dans le grand sillon et dans le petit sillon. C’est important pour la spécificité de la séquence d’ADN, une protéine va reconnaitre une enchainement sucre phosphate d’un autre enchainement sucrephosphate. La protéine (s’il y a une spécificité de séquence) va reconnaitre un enchainement de base. Des interactions sont faire ici, si la protéine va reconnaitre un enchaînement de base (par exemple, un enzyme de restriction qui va reconnaitre un site de restriction TTAG, le TTAG il faudra bien qu’elle le contact. La spécificité bien de fait qu’il va falloir d’un contact avec la base avec une interaction spécifique de la séquence. 94

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La différence entre les 3 ADN est simplement les conditions salines dans lesquelles ils se trouvent. (A : rouge, T : jaune, G : vert, C : bleu). L’ADN A la condition saline est plus élevée ; ils n’ont pas la même forme, la même double hélice. L’ADN-Z a une composition particulière (seulement C et G). AT se relie par 2 liaisons hydrogène et GC par trois. Ça veut dire qui est très stable. Pourquoi Z ? sa forme est en zigzag, il n’est pas continué il forme de segments comme une Z. Information Les deux brins de l'ADN forment une double hélice dont le squelette détermine deux sillons. Ces sillons sont adjacents aux paires de bases et sont susceptibles de fournir un site de liaison pour diverses molécules. Les brins d'ADN n'étant pas positionnés de façon symétrique par rapport à l'axe de la double hélice, ils définissent deux sillons de taille inégale : le grand sillon est large de 2,2 nm tandis que le petit sillon est large de 1,2 nm. Les bords des bases nucléiques sont plus accessibles dans le grand sillon que dans le petit sillon. Ainsi, les protéines, telles que les facteurs de transcription, qui se lient à des séquences spécifiques dans l'ADN bicaténaire le font généralement au niveau du grand sillon. Il existe de nombreux conformères possibles de la double hélice d'ADN. Les formes classiques sont appelées ADN A, ADN B et ADN Z, dont seules les deux dernières ont été observées directement in vivo4. La conformation adoptée par l'ADN bicaténaire dépend de son degré d'hydratation, de sa séquence, de son taux de surenroulement, des modifications chimiques des bases qui le composent, de la nature et de la concentration des ions métalliques en solution, voire de la présence de polyamines. • L'ADN B est la forme la plus courante de la double hélice dans les conditions physiologiques des cellules vivantes. Il ne s'agit cependant pas d'une conformation définie par des paramètres géométriques stricts mais plutôt d'un ensemble de conformations apparentées survenant aux niveaux d'hydratation élevés observés dans les cellules vivantes. Leur étude par cristallographie aux rayons X révèle des diagrammes de diffraction et de diffusion caractéristiques de paracristaux moléculaires très désordonnés. La forme B est une hélice droite avec des paires de 95

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bases perpendiculaires à l'axe de l'hélice passant au centre de l'appariement de ces dernières. Un tour d'hélice a une longueur d'environ 3,4 nm et contient en moyenne 10,4 à 10,5 paires de bases, soit environ 21 nucléotides, pour un diamètre de l'ordre de 2,0 nm. Les bases sont orientées en position anti sur les résidus de désoxyribose, lesquels présentent un plissement endocyclique C2’-endo du cycle furanose. Les deux sillons de cette configuration ont une largeur typique de 2,2 nm pour le grand et de 1,2 nm pour le petit. L'ADN A s'observe dans les échantillons d'ADN plus faiblement hydraté, à force ionique plus élevée, en présence d'éthanol ainsi qu'avec les hybrides bicaténaires d'ADN et d'ARN. Il s'agit d'une double hélice droite dont l'axe ne passe plus par les paires de bases. Cette double hélice est plus large, avec un diamètre de l'ordre de 2,3 nm mais un pas de seulement 2,8 nm pour 11 paires de bases par tour d'hélice. Les baseselles-mêmes demeurent orientées en position anti sur les résidus de désoxyribose, mais ces derniers présentent un plissement endocyclique C3’-endo. L'ADN Z est plus contraint que les formes A et B de l'ADN et s'observe préférentiellement dans les régions riches en paires guanine–cytosinelors de la transcription de l'ADN en ARN. Il s'agit d'une double hélice gauche, dont l'axe s'écarte significativement des paires de bases. Cette double hélice est plus étroite, avec un diamètre d'environ 1,8 nm et un pas d'environ 4,5 nm pour 12 paires de bases par tour d'hélice. Les pyrimidines sont orientées en position anti sur les résidus de désoxyribose, dont le cycle furanose possède en leur présence un plissement C2’-endo, tandis que les purines sont orientées en position syn sur des résidus de désoxyribose qui possède en leur présence un plissement endocyclique C2’-exo. La forme Z de l'ADN serait notamment provoquée in vivo par une enzyme appelée ADAR1.

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier Angles de torsion (dièdres)

Les angles de torsion sont la rotation entre deux plans ou sur les liaisons. Les angles de torsion dans la structure des nucléotides il y a partout, entre les phosphates, les oxygènes, les différents carbones, dans le sucre. L’angle dièdre de la liaison glycosidique qui lie le sucre à la base va nous intéresser un peu plus que les autres : angle "Deux possibilité : - Angle qui est entre la base et le sucre du même cote de la liaison (syn) - Angle qui est entre la base et le sucre pas du même côté (anti), qui est plus stable et plus utilisée. L’ARN a une flexibilité structurale plus élevé que l’ADN. Mais en général dans l’ADN B il y a antiangle.

Plissement des sucres Le sucre c’est un pentose qui a 5 atomes, un des atomes est un oxygène et les 5 atomes ne sont pas dans le même plan. Un des atomes sort du plan dans un ribose, les autres 4 reste dans le même plan. Soit le 2’ ou le 3’ peuvent sortir du plan, ce qui donne les structures ou conformations différents : - C-2’ endo quand c’est le 2’ qui sort - C-3’ endo quand c’est le 3’ qui sort (exo quand c’est en dessous du plan) Et en trouve se configurations différentes dans le structure d’ADN (B-forme C2’-endo et ADN AC 3’-endo) et ARN (C 3’-endo). Il se trouve que l’ADN A et l’ARN ont un anti double hélice, les

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier deux structures se ressemblent beaucoup. Le plissement des sucres donne une géométrie des hélices très différentes : exemple pour l’ADN-B et l’ARN-A.

De point de vue structural ça va y avoir une influence sur l’hélice, l’enroulement, le packing. La deuxième image montre la structure ADN B avec la forme 2’endo et 10 bases par tour et la structure d’ARN et ADN A avec sa forme 3’-endo et ses 12 bases par tour, l’hélice est plus large. D’un point de vue structural, l’ADN est assez rigide mais avec certaines variabilités.

Un tableau qui recapitule les propriétés structurales des différents ADN (A, B et Z). Le sens de l’hélice est en droit dans l’ADN A et B et a gauche dans l’ADN Z.

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier Complexes protéine – AN : détaille structurale

L’ADN est rigide chimiquement et structuralement. On peut trouver les ADN très courbés au chromosome. Exemple des protéines qui vont se lier sur l’ADN soit par le domaine préférer de la courbure d’ADN, il y a des ADN qui font d’hairpin, même s’il n’y a pas grand-chose diffèrent pour la structure d’ADN il existe un peu de flexibilité. Il existe aussi de Triplets ADN (une double hélice et une autre chaine qui va venir dans le grand sillon. Il y a des liaisons hydrogènes entre une base et une autre base.

Structure plus particulière pour illustrer la flexibilité d’ADN est le pseudonœuds. Il illustre une seule chaine nucléotidique qui se replie sur ellemême pour venir faire deux fragments double hélices.

Quadruplet sont quatre bases qui interagissent par liaisons hydrogènes. Si on a deux chaines nucléotidiques, se peuvent s’apparie entre les deux en se repliant type hairplin.

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Exemple de structure quadruplex.

Kising Complex : cette une structure d’ARN qui va se replier sur elle-même, qui forme une boucle que dans ce niveau il se touche. (Ils sont deux boucles qui se touche). Deux chaines nucléotidiques (double hélice) qui ont un appariement double.

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier Interactions stabilisant les structures d’acides nucléiques Les interactions fable concernant les acides nucléiques sont de trois types de manière générale : 1. Les interactions verticales ou d’empilement : la polymérisation de la chaine nucléotidique avec squelette : phosphate-sucre-phosphate-sucre-phosphate… et les bases qui sorte du plan. On dit que les bases s’empilent. Mais ne sont pas une sur l’autre, ils sont décalés a 300. Ces bases forment du cycle et l’effet qu’ils s’empilent va induire des interactions type : a. Interactions entre paires de bases adjacentes ou interactions d’empilement (en anglais : stacking) b. Interactions hydrophobes : force de Van der Walls, 2. Les interactions horizontales ou les liaisons hydrogène qui vont faire une double chaine ou une double hélice. Un exemple classique est l’Appariement Watson-Crick (A=T ; G= C) ou autres possibilités. 3. Le squelette sucre-phosphate. Interactions électrostatiques parce que les molécules des acides nucléiques ont d’une charge négative (les phosphates). Les liaisons hydrogènes C’est le cas Watson-Crick, le plus classique dans l’ADN enroule aux chromosomes. Si on regarde les quatre bases d’ADN on voit qu’il n’y a pas qu’une ou deux possibilités de potentielle donneur ou receveur (accepteur) de liaisons hydrogène. Un potentielle accepteur c’est un atome qui va attirer vers lui un proton, et un potentielle donneur est un atome qui as déjà un proton et qui peut le donner. Dans l’image tout qui es entouré en bleu sont les potentielles donneurs (H), tous ce qui sont entouré en rouge sont des potentielles accepteurs. On peut faire des appariements n’importe quelles bases, même entre deux cytosines ou deux guanines (ce ne sont pas exclus). On peut faire des appariements entre deux bases différentes, dans l’absolu, dans la structure d’ARN. Interactions hydrophobes Empilement des bases Effets hydrophobes : les bases s’empilent les unes dans les autres avec un décalage de 36° à chaque cran. A chaque cran il y a une tourne hélicoïdale. Dans l’image au-dessous il y a des bases ; Il y a quand même un recouvrement des cycles, qui sont en grande partie hydrophobes. Donc il y aura un effet sur le cycle aromatique, ils seront empilés, les interactions type VDW qui auront différents atomes qui font des effets hydrophobes. Interaction entre paires de bases adjacentes (stacking) et interactions hydrophobes. 101

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Interactions électrostatiques entre les phosphates (chargés négativement) et un cation (Na+ par exemple). Interactions électrostatiques : plus en face de moins. Il y a énormément de charge négative autour de la molécule. Pour pouvoir stabiliser une molécule très négative dans une solution aqueuse ou en solvant grand majorité d’eau, il y aura souvent dans cette solution un contrions et NA+ qui ira stabiliser la charge négative de la molécule d’ADN autour et d’ailleurs c’est pour ça que dans une solution saline a autre concentration sel, le doble hélice d’ADN est beaucoup plus stable que dans une solution qu’il n’a pas de sel. Dans l’image montre un schéma d’hélice avec les contrions, et la double hélice d’ADN qu’on voit les tours des phosphates (le phospho orange, les oxygènes sont rouges) tout qui est accessible sur les doubles hélices d’ADN sont les phosphates.

Les 10 paires de bases Purinepyrimidine Un schéma pour voir des interactions Watson-Crick, reverse Watson-Crick, Wooble, Hoogsten entres des bases. On peut faire diffèrent shifts, tourner une base, flipper une base qui causeront différents types des réactions. Il y a ou moins deux liaisons hydrogènes à chaque fois (pointée dans la figure). Ce qu’on trouve dans la double hélice d’ADN B est WatsonCrick.

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier ARN Les différents formes et structures d’ARN comme les Hairpins, Bulges (quand deux brins ne sont pas identiques, qu’il y a des bases nucléotides surnuméraire qui vont sortir, ils ne vont pas l’appariement, ils vont créer une courbure sur l’ARN), 3-4 stem jonctions, internal loop etc...

Structures 3D et fonction très diverses d’ARN, il y a plus de variété dans la structure et dans la fonction. L’ARN peut servir au processing, a la synthèse au ribosome, intermédiaire de la synthèse comme le cas d’ARN de transfert, de régulation, activité catalytique. Tout ça, c’est de brins d’ARN que se replier sur lui-même.

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Biochimie Structurale Master 1 Biologie Santé Université de Montpellier ARN de transfert (ARNt) Représentation de la chaine nucléotidique avec ses appariement et ses régions non apparie (typiquement la schématisation Trèfle d’ARN de transfert) qui est une structure secondaire parce qu’il y a une forme « L » en 3D qui nus donne les régions apparié et non apparié. Dans cette molécule il y a un bras accepteur de l’acide aminé qui sera fournir dans la synthèse protéique a chaque fois que l’anticodon de l’ARNt correspond au codon de l’ARNm, l’amine acide correspondant sera polyméri...