Nucléotides : structure
Bases azotées puriques

1. Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée ou nucléobase, responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour les ribonucléotides,
• désoxyribose pour les désoxyribonucléotides.

c. un ou plusieurs groupes phosphate, responsables de la charge négative de la molécule et impliqués dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

Remarque : les nucléosides sont des nucléotides sans groupe phosphate, composés uniquement d'une base azotée et d'un pentose ( sémantique).

2. Par ses propriétés, la base azotée détermine les règles d’appariement, mais aussi la stabilité, la conformation et la capacité des acides nucléiques à stocker et transmettre l’information génétique.

Bases puriques

Les bases puriques comprennent principalement :

• l'adénine,
• la guanine.

1. Les bases puriques dérivent du noy au purine, système bicyclique aromatique plan comportant quatre atomes d’azote situés aux positions 1, 3, 7 et 9 du squelette purine, décrit structuralement comme l’association de deux cycles hétérocycliques fusionnés :

• 

  un noyau pyrimidine, composé d’un cycle à six atomes, dont quatre carbones et deux azotes en positions 1 et 3,
• un noyau imidazole, constitué d’un cycle à cinq atomes, avec trois carbones et deux azotes en positions 7 et 9.

2. La biosynthèse de ce noyau est réalisée au cours de la formation de novo de l'IMP au terme d'une série de réactions enzymatiques

3. La méthylation des bases azotées constitue une modification chimique fréquente et hautement régulée.

Dans la nomenclature, il convient de distinguer la modification de la base azotée de celle du nucléoside correspondant, par exemple pour la cytosine :

• 5mC qui correspond à la méthylation en position 5 sur le cycle pyrimidinique, i.e. de la base azotée elle-même,
• m⁵C qui correspond au nucléoside correspondant, i.e. la cytidine méthylée liée à un pentose.

Adénine

1. L'adénine (6-aminopurine) est présente dans de nombreuses molécules.

• dans les ADN où elle s’apparie avec la thymine (T),
• dans les ARN, où elle s’apparie avec l’uracile (U),
• dans les nucléotides " riches en énergie ", i.e. ATP, ADP,
• de nombreuses coenzymes :
  • la CoA,
  • NAD⁺ (Nicotinamide adénine dinucléotide), coenzyme clé dans les réactions d’oxydo-réduction, impliquée dans la respiration cellulaire et le métabolisme énergétique,
  • NADP⁺ (Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), semblable au NAD⁺, mais utilisé principalement dans les réactions anaboliques comme la biosynthèse des acides gras,
  • FAD (Flavine adénine dinucléotide), coenzyme impliquée dans plusieurs réactions d’oxydoréduction, notamment dans la chaîne respiratoire mitochondriale,
  • S-adénosylméthionine (SAM), coenzyme impliquée dans le transfert de groupe méthyle ($\ce{-CH3}$), jouant un rôle crucial dans la méthylation de l’ADN, des protéines et d’autres molécules,
• dans un second messager intracellulaire essentiel, l'AMP cyclique (AMPc), dérivé de l’ATP,
• à l'état libre dans les matières fécales, les urines, le lait de vache, certains végétaux (thé, café, tabac).

2. L’adénine peut subir des modifications chimiques par ajout d’un ou plusieurs groupements méthyle sur différents atomes de la base purique, conduisant à la formation de dérivés méthylés présents chez de nombreux organismes.

La N6-méthyladénine (6mA) correspond à une adénine méthylée sur l’atome d’azote en position 6 de la base purique.

Cette modification est présente dans l’ADN de nombreuses bactéries et a également été identifiée chez certains eucaryotes où elle participe à différents mécanismes de régulation de l'expression génique.

Guanine

1. La guanine (2-amino 6-oxypurine) est présente :

• dans tous les ADN et les ARN où elle s'apparie avec la cytosine,
• dans les nucléotides énergétiques comme le GTP ou le GDP, impliqués dans la synthèse des protéines et la signalisation cellulaire,
• dans certains ARN catalytiques (ribozymes) ou systèmes enzymatiques spécialisés, , où des nucléotides guanylés peuvent intervenir dans des mécanismes catalytiques ou de régulation, bien que les coenzymes dérivées de la guanine soient rares,
• un second messager intracellulaire important, le GMP cyclique (cGMP), notamment dans les voies de signalisation dépendantes de l’oxyde nitrique (NO) et dans la phototransduction,
• à l'état libre dans :
  • les matières fécales, en particulier d'oiseau, d’où elle a été isolée pour la première fois à partir du guano (d’où son nom) qui sert d'engrais azoté,
  • les écailles des poissons et des reptiles, où elle contribue à la réflexion de la lumière et à certains effets irisés.

2. La diméthylguanine, base diméthylée de la guanine, est retrouvée naturellement dans des ARN de transfert (ARNt) et des ARN ribosomiques (ARNr).

• Elle existe sous forme de N²,N²-diméthylguanosine (m^2,2G), i.e. deux groupes méthyle ($\ce{-CH3}$) sont ajoutés sur l’atome d’azote en position 2 de la guanine.
• Cette altération structurelle contribue à la stabilité de la structure tridimensionnelle de l’ARN et joue un rôle dans la précision de la traduction en modulant l’interaction avec les ribosomes ou d'autres facteurs.

Autres purines

Certaines bases azotées puriques n’entrent que peu, voire pas du tout, dans la composition des nucléotides.

1. L'hypoxanthine (ou 1H-purine-6(9H)-one) n'est pas directement utilisée dans l’ADN ou l’ARN.

a. Elle peut toutefois être récupérée par la voie de sauvetage grâce à l’enzyme HGPRT ( voie de sauvetage des purines).

$\ce{Hypoxanthine + PRPP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{IMP + PPi}$

L'IMP (inosine monophosphate) est un nucléotide intermédiaire majeur dans la synthèse des purines ( synthèse de novo des purines).

b. Elle peut se lier au ribose pour former l'inosine, un nucléoside, présent dans l’ARN de transfert (ARNt), notamment à la position wobble ( nucléotides des ARN non codants).

2. La xanthine (ou 3,7-dihydropurine-2,6-dione) est une oxopurine formée par désamination de la guanosine ou par la dégradation de l’inosine ( désamination des bases puriques).

a. Contrairement à l’hypoxanthine ou à la guanine, la xanthine ne peut pas être réutilisée via une voie de sauvetage pour reformer un nucléotide.

On ne connaît aucune enzyme phosphoribosyltransférase produisant directement un nucléotide à partir de la xanthine chez l'humain.

b. Par contre, l'XMP est un nucléotide purique intermédiaire dans la biosynthèse du GMP à partir de l’IMP ( étape 1).

3. D'autres bases puriques n'entrent pas dans ces catégories, comme :

• la caféine (ou méthylxanthine), alcaloïde antagoniste des récepteurs P1 à l'adénosine,
• la théobromine (ou 3,7-diméthylxanthine), alcaloïde de la fève de cacao (Theobroma cacao),
• l'acide urique, produit dans le catabolisme des bases puriques, via la xanthine oxydase.

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