Acides nucléiques
ADN : structure

Structure de base de l'ADN

La structure de l'ADN à double hélice est due à sa composition en nucléotides et aux propriétés de leur composant, en particulier des bases azotées.

1. Les désoxyribonucléosides de l'ADN sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (nucléobase) :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T).

b. du désoxyribose, ose à 5 carbones (pentose),

c. d'un groupe phosphate responsable de la charge négative de la molécule et impliqué dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

2. Cette structure de base permettra de comprendre comment les nucléotides s’enchaînent pour former un brin d’ADN.

Structure d'un brin d'ADN

1. Les bases azotées sont perpendiculaires à l’axe de la double hélice.

a. Elles sont à l’intérieur de l’hélice, protégées de l’eau, par leur caractère faiblement polaire ( propriétés chimiques).

Cette disposition les protège de l'hydrolyse, des réactions d'oxydation ou des rayonnements qui peuvent provoquer des mutations.

b. La liaison β-N-glycosidique, entre pentose et base, est normalement en conformation anti, i.e. base à l'opposé du pentose, la plus stable ( liaison anti et syn).

La conformation syn est plus rare comme dans l'ADN Z.

c. Le squelette ose–phosphate est à l’extérieur, car il est fortement polaire et chargé négativement (PO4^--), donc interagit fortement avec le solvant aqueux.

Le squelette phosphate entraîne des répulsions électrostatiques compensées in vivo par des cations (Mg⁺⁺, K⁺) et des protéines associées.

2. Les bases sont empilées verticalement par un mécanisme appelé empilement π (base stacking).

Les électrons π, qui sont des électrons délocalisés situés dans les liaisons doubles C=C ou C=O des bases azotées, rendent le cycle plan et aromatique ( propriétés des cycles aromatiques).

• 

  Ces électrons peuvent former des interactions non covalentes avec des électrons π d’autres bases, en particulier au-dessus et en-dessous.
• L’effet hydrophobe, résultant de la faible polarité des bases, favorise leur rapprochement et leur empilement, ce qui limite leur exposition au solvant aqueux et renforce les interactions π-π entre cycles aromatiques.

3. L’empilement π contribue également à la rigidité et à la stabilité du brin et tend à organiser les bases selon une rotation régulière entre nucléotides successifs pour former une hélice.

a. Un polymère biologique constitué d’une répétition régulière, ici désoxyribose-phosphate-désoxyribose-phosphate possède des angles de liaison fixes et des rotations préférentielles (angles dièdres).

• Lorsque ces paramètres sont répétés le long de la chaîne, la géométrie résultante ne peut pas rester plane.
• Si chaque unité du polymère introduit une petite rotation et une petite translation, alors la répétition de ces transformations génère automatiquement une hélice. qui est un principe géométrique général.

b. Dans les acides nucléiques, cette rotation résulte à la fois des contraintes géométriques du squelette ose-phosphate et de la tendance des bases aromatiques à s’empiler les unes sur les autres.

Cette organisation permet un empilement π optimal, i.e. un rapprochement des nuages électroniques π des bases tout en évitant une répulsion excessive, contrairement à une configuration plane et rigide de type échelle.

• Dans l’ADN simple brin, les bases empilées présentent généralement une rotation d’environ 30–40° entre nucléotides, avec une distance verticale proche de 0,34 nm entre bases empilées.
• Dans l’ARN simple brin, la rotation entre bases successives est souvent légèrement plus faible, de l’ordre de 30–33°, avec une distance verticale moyenne d’environ 0,28–0,30 nm, liée notamment à la géométrie du ribose et à la conformation C3′-endo.

c. Ces rotations successives conduisent à une organisation hélicoïdale locale du brin simple, qui devient plus régulière et plus stable lorsque deux segments complémentaires s’apparient, formant alors une hélice double.

Double brin de l'ADN

L'ADN se présente sous la forme d'une double hélice dont les brins sont antiparallèles.

• La conformation B de l'ADN, la plus courante, a été classiquement décrite par Francis Crick (1916-2004) et James D. Watson (1928-) en 1953, ce qui leur a valu le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1962 avec Maurice Wilkins (1916-2004) (Watson and Crick).
• La grande oubliée fut Rosalind Franklin (1920-1958) qui formula la première, dans un rapport non publié, la structure hélicoïdale de l'ADN.

Paires de base (pb)

1. Les bases azotées sont stabilisées par les liaisons hydrogène A=T et G≡C ( paires de bases).

La règle de Chargaff, du nom du biochimiste autrichien Erwin Chargaff (1905-2002), stipule que, dans l’ADN bicaténaire, la quantité d’adénine est égale à celle de thymine et la quantité de guanine est égale à celle de cytosine, reflétant la complémentarité des bases.

a. L'adénine (A) et la thymine (T) sont liées par 2 liaisons hydrogène (A=T) .

• 

  L’azote N1 de l’adénine est lié avec l’hydrogène H3 de l’azote N3 de la thymine.
• L’hydrogène H6 du groupe amine ($\ce{-NH2}$) sur l’adénine forme une liaison hydrogène avec l’oxygène O4 de la thymine.

b. La guanine (G) et la cytosine (C) sont liées par 3 liaisons hydrogène (G≡C), ce qui rend cette paire plus stable que A=T.

• L’oxygène C6=O de la guanine forme une liaison hydrogène avec l’hydrogène H4 lié à l’azote N4 de la cytosine.
• L’hydrogène H1 de l’azote N1 de la guanine se lie à l’azote N3 de la cytosine.
• L’hydrogène H2 du groupe amino ($\ce{-NH2}$) de la guanine se lie à l’oxygène O2 de la cytosine.

Remarque : un pourcentage élevé en paires G-C augmente la stabilité thermique de l’ADN, comme chez certaines bactéries thermophiles, par exemple Thermus aquaticus et Pyrococcus furiosus, qui vivent dans des environnements très chauds.

2. Les paires A=T et G≡C ont la même largeur (~1,08 nm) ce qui est indispensable pour conserver une double hélice régulière ( propriétés géométriques des bases).

• Cette complémentarité repose sur la disposition des donneurs et accepteurs de liaisons hydrogène ainsi que sur l’association d’une base purique avec une base pyrimidique.

3. L’espacement vertical entre deux bases successives est de 0,34 nm, et un tour d’hélice correspond à environ 10 paires de bases (3,4 nm).

Antiparallélisme des brins

L’ADN est constitué de deux brins enroulés en double hélice, chacun formé d’une succession de nucléotides reliés par des liaisons phosphodiester.

1. Chaque brin possède une polarité structurale :

• une extrémité 5′, portant un groupe phosphate libre,
• une extrémité 3′, portant un groupe hydroxyle ($\ce{-OH}$) libre sur le carbone 3′ du désoxyribose.

2. Les deux brins de l’ADN sont antiparallèles, c’est-à-dire orientés en directions opposées :

• l’un dans le sens 5' ➞ 3′,
• l’autre dans le sens 3′ ➞ 5′.

a. Tout d'abord, elle permet la compatibilité des liaisons hydrogène entre les bases, i.e. A=T et G≡C et contribue à la stabilité de l'empilement π vertical.

Sans antiparallélisme, les bases seraient tordues ou décalées, ce qui rendrait la double hélice moins stable.

b. Elle permet aussi l’alignement correct des extrémités 5′ et 3′ pour les enzymes et est essentielle pour la réplication et la transcription.

• Les ADN polymérases synthétisent l’ADN uniquement dans le sens 5′ → 3′, ce qui conditionne les mécanismes de réplication.
• l’ARN polymérase lit le brin matrice dans le sens 3′ → 5′ pour synthétiser l’ARN 5′ → 3′ dans la transcription.
• Les systèmes de réparation et de recombinaison dépendent également de cette orientation.

c. L’orientation antiparallèle contribue à la symétrie globale de la double hélice et permet la formation des sillons majeur et mineur, essentiels à la reconnaissance des séquences d’ADN par de nombreuses protéines.

Hélice de l'ADN

L'ADN se présente sous une forme d'hélice.

1. Chaque base est légèrement tordue par rapport à la précédente de ~36° par paire de bases dans l'ADN B ( conformation en hélice).

• Cette conformation permet un empilement π optimal.
• Les liaisons hydrogène sont quasi perpendiculaires à l’axe.

2. Cette rotation de ~36° par base permet de former une hélice complète après 10 paires de bases : 36° × 10 = 360°, ce qui correspond à un tour complet de l’hélice.

Le pas de l’hélice B-ADN est de 3,4 nm, ce qui relie le tour complet à la distance verticale par paire de bases (0,34 nm).

3. Cette organisation permet de compacter les bases à l’intérieur de la double hélice, limitant leur exposition au solvant et contribuant à la protection de l’information génétique.

Remarque : les segments double brin de l’ARN adoptent également une organisation hélicoïdale pour des raisons similaires, liées à l’empilement des bases et aux contraintes géométriques du squelette ribose-phosphate.

Toutefois, la présence du groupement 2′-OH du ribose favorise une géométrie différente, conduisant généralement à la formation de l’hélice A caractéristique de l’ARN.

Grand et petit sillons

L'enroulement des deux brins en spirale crée deux types de sillons (ou " grooves " en anglais).

1. Le grand sillon (major groove), ~22 Å de large, est, comme son nom l'indique, le plus profond.

a. Il expose plus d'informations chimiques sur les bases et permet de distinguer A=T et G≡C sans ouvrir l’ADN.

• Le groupe méthyle ($\ce{-CH3}$) de la thymine est orienté vers le grand sillon.
• La méthylation de la cytosine (5mC) modifie aussi le profil du grand sillon, influençant la régulation génétique.

b. De nombreuses protéines régulatrices, comme les facteurs de transcription et les enzymes de réparation, interagissent avec le grand sillon, car il offre une meilleure accessibilité et plus de spécificité.

2. Le petit sillon, plus étroit (~12 Å), présente une accessibilité réduite aux informations chimiques des bases par rapport au grand sillon.

a. Certaines protéines peuvent s’y fixer, mais la reconnaissance est moins spécifique que dans le grand sillon.

• Les protéines de liaison à l’ADN riches en AT sont des protéines régulatrices ou des répresseurs, par exemple la protéine TATA-binding protein (TBP), certaines protéines HMG (High Mobility Group).
• Les interactions des queues d’histones impliquent également le petit sillon.

b. Néanmoins, le petit sillon reste une cible importante pour certaines petites molécules, comme des antibiotiques (netropsine, distamycine…) ou des agents anticancéreux (ditéromycine), qui se fixent à ce niveau et peuvent interférer avec la réplication ou la transcription.

c. Cette configuration étroite et moins accessible contribue également à la stabilité globale de la double hélice.

Conformations de l'ADN

L'ADN, en lui-même, peut se présenter sous trois formes structurelles.

1. L'ADN B est la forme canonique de la double hélice dans les cellules eucaryotes dans la majorité des conditions cellulaires, permettant la réplication, la transcription, et la réparation.

2. L'ADN A, à conformation plus compacte et à double hélice légèrement inclinée, peut être trouvé dans des conditions de faible humidité, comme lors de la cristallisation ou la déshydratation in vitro.

Cette conformation est également adoptée naturellement par :

• les duplex d’ARN et par les hybrides ADN-ARN,
• certaines régions d’ADN à géométrie proche lors des contextes particuliers, notamment lors de la compaction ou de l’empaquetage du génome viral (The Scrunchworm Hypothesis: Transitions Between A-DNA and B-DNA Provide the Driving Force for Genome Packaging in Double-Stranded DNA Bacteriophages 2015).

3. L'ADN Z, quant à lui, à double hélice gauche et à conformation en zigzag, apparaît également dans des conditions particulières :

• forte concentration en sel ou conditions in vitro spécifiques,
• régions riches en alternances purine-pyrimidine comme les séquences CG.

Cette forme d'ADN jouerait un rôle dans le relâchement des tensions induites par le surenroulement de l'ADN (DNA supercoil) lors de la transcription, ainsi que dans certaines régulations génétiques spécifiques.

La compréhension de la structure de l’ADN constitue la base indispensable pour aborder son organisation dans la cellule, sous forme de chromatine et de chromosomes, grâce notamment à l’action des histones.

Caractéristique	ADN de type B	ADN de type A	ADN de type Z
Conformation de l'hélice	Hélice droite forme canonique	Hélice droite plus compacte	Hélice gauche squelette en zigzag
Nombre de paires de bases par tour	~10,5	~11	~12
Pas hélicoïdal (longueur d'un tour)	~3,4 nm	~2,6 nm	~4,5 nm
Distance entre bases successives (sur un brin)	~0,34 nm	~0,28 nm	~0,37 nm
Diamètre de l'hélice	~2,0 nm	Plus large (~2,3 nm)	Plus étroite (~1,8 nm)
Squelette ose-phosphate	Plus étendu et flexible	Plus compact et incliné	Plus étendu et zigzagant
Orientation des brins	Antiparallèle	Antiparallèle	Antiparallèle
Sillons majeurs et mineurs	Bien définis	Moins profonds et larges Peu accessibles	Sillon majeur peu accessible Sillon mineur plus marqué
Conditions favorables	Milieu aqueux physiologique	Milieu déshydraté, faible humidité	Séquences riches en alternances purine-pyrimidine (notamment CG) Forte salinité Contraintes topologiques
Occurrence biologique	Forme la plus courante dans les cellules	Principalement dans les ARN double brin Hybrides ADN-ARN	Présente transitoirement dans la régulation transcriptionnelle et certaines structures spécifiques
Direction de l'hélice	Droite	Droite	Gauche

Organisation du génome