Nucléotides : structure
Pentoses : ribose et désoxyribose

1. Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (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. Les pentoses sont des glucides à 5 carbones trouvés sous forme D dans la nature (nomenclature D/L).

Ribose

Structure

Le ribose est un aldopentose (pentose de type aldose).

• Le ribose est un pentose possédant cinq atomes de carbone numérotés C1′ à C5′ dans les nucléotides.
• Cette numérotation avec prime (') permet de distinguer les carbones du sucre de ceux de la base azotée.

1. Les aldoses sont des monosaccharides qui comportent un seul groupe aldéhyde/formyle ($\ce{−CH=O}$) par molécule.

• Les cétoses, à la différence des aldoses, contiennent un groupe cétone ($\ce{-C=O}$).

2. La formule empirique générale des monosaccharides est $\ce{C_n(H2O)n}$, souvent écrite $\ce{C_nH{2n}O_n}$

a. Le ribose a pour formule brute $\ce{C5H10O5}$.

b. En structure linéaire, le carbone porteur du groupe aldéhyde (C1) correspond au carbone anomérique qui participe à la formation de la forme cyclique de l'ose.

Chez les cétoses, le carbone anomérique correspond au carbone C2 issu du groupe cétone.

Isomérie et conformation du ribose

Le ribose existe majoritairement sous forme D dans les systèmes biologiques, la forme L n’étant pas utilisée dans les acides nucléiques naturels, mais pouvant exister chimiquement comme énantiomère de synthèse (nomenclature D/L).

En solution aqueuse, le ribose existe principalement sous cinq formes en équilibre :

• 4 formes sont des formes hétérocycliques,
• 1 forme est linéaire, très peu courante.

Remarque : les proportions exactes des différentes formes varient selon les conditions du milieu et les méthodes d’analyse.

1. On trouve 2 formes pyranose, cycle à 6 sommets (1$\ce{O}$ et 5$\ce{C}$) :

• β-D-ribopyranose (~50–60 %),
• α-D-ribopyranose (~20–25 %).

2. On trouve 2 formes furanose, cycle à 5 sommets (1$\ce{O}$ et 4$\ce{C}$) :

• β-D-ribofuranose (~10–15 %),
• α-D-ribofuranose (~5–10 %),

3. Une forme est linéaire (< 0.1%), $\ce{CHO-(CHOH)3-CH2OH}$.

• Dans la projection de Fischer du D-ribose, les groupes hydroxyles portés par C2, C3 et C4 sont orientés du même côté de la chaîne carbonée (structure linéaire des oses).

Ribose dans les nucléotides

1. Dans les nucléotides, le ribose est présent sous forme β-D-ribofuranose.

a. Le carbone anomérique C1′ du ribose forme une liaison β-N-glycosidique avec une base azotée :

• N9 des purines (adénine, guanine),
• N1 des pyrimidines (cytosine, uracile).

b. Le groupe hydroxyle C5′-OH peut être estérifié par un ou plusieurs groupes phosphate pour former des nucléosides mono-, di- ou triphosphates.

2. Le cycle furanose du ribose n’est pas plan et adopte différentes déformations, appelées pucker en anglais, correspondant au déplacement d’un atome du cycle hors du plan formé par les autres atomes.

a. Les deux conformations principales sont :

• C3′-endo, i.e. le carbone C3′ est déplacé hors du plan du cycle,
• C2′-endo i.e. le carbone C2′ est déplacé hors du plan du cycle.

b. Ces conformations influencent l’organisation spatiale du squelette ribose-phosphate des acides ribonucléiques.

Ribose 5-phosphate

Dans le métabolisme cellulaire, le ribose est généralement utilisé sous forme phosphorylée, principalement le D-ribose-5-phosphate, dans lequel le groupe phosphate est estérifié sur le carbone C5′.

1. Le ribose-5-phosphate (R5P) peut provenir :

• principalement de la voie des pentoses phosphates, par isomérisation du ribulose-5 phosphate issu de l’oxydation du glucose :

$\ce{Ribulose-5-phosphate}$ $\longrightarrow$ $\ce{Ribose-5-phosphate}$

• dans une moindre mesure d'interconversions entre divers oses phosphatés, notamment via les enzymes transaldolase et transcétolase (EC 2.2.1.1) :

$\ce{Fructose-6-phosphate (F6P) + glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P)}$ $\longrightarrow$ $\ce{Ribose-5-phosphate + xylulose-5-phosphate}$

• plus rarement, de la phosphorylation directe du ribose par l’ATP, sous l'action de la ribokinase (EC 2.7.1.15).

$\ce{Ribose + ATP}$ $\longrightarrow$ $\ce{Ribose-5-phosphate + ADP}$

2. Le ribose-5-phosphate est un métabolite central, utilisé dans plusieurs voies biosynthétiques essentielles.

Il constitue également le précurseur direct du squelette ribose des nucléotides, après activation en PRPP, étape clé de la biosynthèse de novo et de la voie de sauvetage des nucléotides.

a. Par son activation en 5-phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP), c'est un véritable donneur de ribose-5-phosphate dans :

• dans la biogenèse des nucléotides puriques et pyrimidiques, i.e. ATP…,
• de nombreuses coenzymes nucléotidiques, notamment NAD⁺, NADP⁺ FAD, le coenzyme A (CoA), dont la structure comporte un noyau ribonucléotidique dérivé du R5P,
• dans la synthèse de certains acides aminés, notamment l’histidine.

b. Le R5P peut aussi être recyclé ou converti en d’autres sucres phosphorylés via les enzymes de la phase non oxydative de la voie des pentoses phosphates.

Désoxyribose

Structure et isomères

1. Le désoxyribose ou 2-désoxyribose est, comme son nom l'indique, un ribose désoxydé sur C2, c'est-à-dire qu'il a perdu un atome d'oxygène dans le groupe hydroxyle ($\ce{-OH)}$).

a. À la place du groupe $\ce{-OH}$ du ribose, le carbone C2′ porte un hydrogène, ce qui correspond à un groupe (ou pont) méthylène dans la chaîne carbonée.

• C'est un aldopentose, donc à 5 atomes de carbone avec un seul groupe aldéhyde/formyle ($\ce{−CH=O}$).
• Sa formule brute est $\ce{C5H10O4}$

b. Sa formule linéaire est : $\ce{CHO-(CHOH)2-CH2-CH2OH}$

Comme pour le D-ribose, dans la projection de Fischer du D-2-désoxyribose les groupes hydroxyles portés par C3 et C4 sont orientés du même côté de la chaîne carbonée, ce qui correspond à la configuration D.

2. Le désoxyribose existe, comme le ribose, sous plusieurs formes isomères en solution aqueuse (formes furanose, pyranose et forme linéaire) en équilibre dynamique ( isomérie et conformation du ribose et figure ci-contre).

Ces formes correspondent simplement aux différentes structures d’équilibre du désoxyribose en solution.

Dans les acides nucléiques, seule la forme β-D-2-désoxyribofuranose est incorporée dans l’ADN par les enzymes de réplication et de réparation (ADN polymérases, ADN ligases…)

Désoxyribose dans les nucléotides

Dans l’ADN, le désoxyribose est généralement sous forme β-D-2-désoxyribofuranose.

1. Le cycle furanose n’est pas plan et peut adopter différentes déformations appelées pucker.

Dans l’ADN, le désoxyribose adopte préférentiellement la conformation C2′-endo, dans laquelle le carbone C2′ est déplacé hors du plan du cycle.

2. Cette conformation favorise la géométrie caractéristique de l'hélice B de l'ADN, la forme la plus courante dans les cellules.

Biosynthèses du désoxyribose

Dans les cellules, le désoxyribose est produit indirectement par l’action des ribonucléotides réductases (RNR), qui réduisent les ribonucléotides diphosphates (NDP) en désoxyribonucléotides diphosphates (biosynthèse des désoxyribonucléotides diphosphates).

Il pourrait même être synthétisé dans l'espace interstellaire à partir de glaces carbonées irradiées et être présent dans certaines météorites (Deoxyribose and deoxysugar derivatives from photoprocessed astrophysical ice analogues and comparison to meteorites 2018).

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