Structure d'acide nucléique - Nucleic acid structure

Image interactive de la structure des acides nucléiques (primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire) à l'aide d'hélices d'ADN et d'exemples du ribozyme VS , de la télomérase et du nucléosome . ( APB : ADNA , 1BNA , 4OCB , 4R4V , 1YMO , 1EQZ )

La structure des acides nucléiques fait référence à la structure des acides nucléiques tels que l' ADN et l' ARN . Chimiquement parlant, l'ADN et l'ARN sont très similaires. La structure des acides nucléiques est souvent divisée en quatre niveaux différents : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire.

Structure primaire

Structure chimique de l'ADN

La structure primaire consiste en une séquence linéaire de nucléotides liés entre eux par une liaison phosphodiester . C'est cette séquence linéaire de nucléotides qui constitue la structure primaire de l' ADN ou de l' ARN . Les nucléotides sont constitués de 3 composants :

1. Base azotée
   1. Adénine
   2. Guanine
   3. Cytosine
   4. Thymine (présente dans l' ADN uniquement)
   5. Uracil (présent dans l' ARN uniquement)
2. Sucre à 5 carbones appelé désoxyribose (présent dans l'ADN) et ribose (présent dans l'ARN).
3. Un ou plusieurs groupes phosphate.

Les bases azotées adénine et guanine ont une structure purique et forment une liaison glycosidique entre leur azote 9 et le groupe 1'-OH du désoxyribose. La cytosine, la thymine et l'uracile sont des pyrimidines , d'où la formation de liaisons glycosidiques entre leur 1 azote et le 1' -OH du désoxyribose. Pour les bases puriques et pyrimidiques, le groupe phosphate forme une liaison avec le sucre désoxyribose par l'intermédiaire d'une liaison ester entre l'un de ses groupes oxygène chargés négativement et le 5' -OH du sucre. La polarité de l'ADN et de l'ARN est dérivée des atomes d'oxygène et d'azote dans le squelette. Les acides nucléiques se forment lorsque les nucléotides se réunissent par des liaisons phosphodiester entre les atomes de carbone 5' et 3'. Une séquence d'acides nucléiques est l'ordre des nucléotides dans une molécule d'ADN (GACT) ou d'ARN (GACU) qui est déterminé par une série de lettres. Les séquences sont présentées de l'extrémité 5' à 3' et déterminent la structure covalente de la molécule entière. Les séquences peuvent être complémentaires d'une autre séquence en ce que la base sur chaque position est complémentaire ainsi que dans l'ordre inverse. Un exemple de séquence complémentaire à AGCT est TCGA. L'ADN est double brin contenant à la fois un brin sens et un brin antisens . Par conséquent, la séquence complémentaire sera au brin sens.

La conception d'acides nucléiques peut être utilisée pour créer des complexes d'acides nucléiques avec des structures secondaires compliquées telles que cette jonction à quatre bras. Ces quatre brins s'associent dans cette structure car elle maximise le nombre de paires de bases correctes , avec As correspondant à Ts et Cs correspondant à Gs . Image de Mao, 2004.

Complexes avec des ions de métaux alcalins

Il existe trois groupes potentiels de liaison aux métaux sur les acides nucléiques : les fragments phosphate, sucre et base. La structure à l'état solide de complexes avec des ions de métaux alcalins a été examinée.

Structure secondaire

ADN

La structure secondaire est l'ensemble des interactions entre les bases, c'est-à-dire quelles parties des brins sont liées les unes aux autres. Dans la double hélice d'ADN, les deux brins d'ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène . Les nucléotides d'un brin s'apparient avec le nucléotide de l'autre brin. La structure secondaire est responsable de la forme que prend l'acide nucléique. Les bases de l'ADN sont classées en purines et pyrimidines . Les purines sont l' adénine et la guanine . Les purines se composent d'une structure à double cycle, un cycle à six chaînons et un cycle à cinq chaînons contenant de l'azote. Les pyrimidines sont la cytosine et la thymine . Il a une structure cyclique unique, un cycle à six chaînons contenant de l'azote. Une base purique s'apparie toujours à une base pyrimidique (la guanine (G) s'apparie avec la cytosine (C) et l'adénine (A) s'apparie avec la thymine (T) ou l' uracile (U)). La structure secondaire de l'ADN est principalement déterminée par l' appariement de bases des deux brins polynucléotidiques enroulés l'un autour de l'autre pour former une double hélice . Bien que les deux brins soient alignés par des liaisons hydrogène en paires de bases, les forces les plus fortes qui maintiennent les deux brins ensemble empilent les interactions entre les bases. Ces interactions d'empilement sont stabilisées par les forces de Van der Waals et les interactions hydrophobes, et montrent une grande variabilité structurelle locale. Il existe également deux rainures dans la double hélice, appelées rainure principale et rainure mineure en fonction de leur taille relative.

ARN

Un exemple de structure secondaire d'ARN. Cette image comprend plusieurs éléments structurels, notamment ; zones simple brin et double brin, renflements, boucles internes et boucles en épingle à cheveux. L'ARN double brin forme une structure hélicoïdale de type A, contrairement à la conformation courante de type B prise par les molécules d'ADN double brin.

La structure secondaire de l'ARN consiste en un seul polynucléotide. L'appariement des bases dans l'ARN se produit lorsque l'ARN se replie entre les régions de complémentarité. Les régions simple et double brin se trouvent souvent dans les molécules d'ARN.

Les quatre éléments de base de la structure secondaire de l'ARN sont :

• Hélices
• Renflements
• Boucles
• Jonctions

Les brins antiparallèles forment une forme hélicoïdale. Les renflements et les boucles internes sont formés par la séparation du double faisceau hélicoïdal sur un brin (renflement) ou sur les deux brins (boucles internes) par des nucléotides non appariés.

La boucle en tige ou en épingle à cheveux est l'élément le plus courant de la structure secondaire de l'ARN. La tige-boucle se forme lorsque les chaînes d'ARN se replient sur elles-mêmes pour former un double faisceau hélicoïdal appelé « tige », les nucléotides non appariés forment une région simple brin appelée « boucle ». Une tétraboucle est une structure d'ARN en épingle à cheveux de quatre paires de bases. Il existe trois familles courantes de tétraboucles dans l'ARN ribosomique : UNCG , GNRA et CUUG ( N est l'un des quatre nucléotides et R est une purine). UNCG est la tétraboucle la plus stable.

Le pseudonoeud est une structure secondaire d'ARN identifiée pour la première fois dans le virus de la mosaïque jaune du navet . Les pseudo-nœuds se forment lorsque des nucléotides de la paire en épingle à cheveux-boucle avec une région simple brin à l'extérieur de l'épingle à cheveux forment un segment hélicoïdal. Les pseudo-nœuds de pli de type H sont les mieux caractérisés. Dans le pli de type H, les nucléotides de la boucle en épingle à cheveux s'apparient avec les bases à l'extérieur de la tige en épingle à cheveux formant la deuxième tige et la boucle. Cela provoque la formation de pseudo-nœuds avec deux tiges et deux boucles. Les pseudo-nœuds sont des éléments fonctionnels de la structure de l'ARN ayant des fonctions diverses et trouvés dans la plupart des classes d'ARN.

La structure secondaire de l'ARN peut être prédite par des données expérimentales sur les éléments de structure secondaire, les hélices, les boucles et les renflements. La méthode DotKnot-PW est utilisée pour la prédiction comparative des pseudonœuds. Les points principaux de la méthode DotKnot-PW sont de noter les similitudes trouvées dans les tiges, les éléments secondaires et les pseudo-nœuds de type H.

Structure tertiaire

Structure et bases de l'ADN

ABZ-ADN Vue latérale

La structure tertiaire fait référence aux emplacements des atomes dans l'espace tridimensionnel, en tenant compte des contraintes géométriques et stériques . C'est un ordre plus élevé que la structure secondaire, dans laquelle se produit un pliage à grande échelle dans un polymère linéaire et la chaîne entière est pliée dans une forme tridimensionnelle spécifique. Il existe 4 domaines dans lesquels les formes structurelles de l'ADN peuvent différer.

1. La latéralité – droite ou gauche
2. Longueur du tour d'hélice
3. Nombre de paires de bases par tour
4. Différence de taille entre les rainures majeures et mineures

L'agencement tertiaire de l' ADN double hélice dans l' espace comprend l' ADN-B , A-ADN et ADN-Z .

L'ADN-B est la forme la plus courante d'ADN in vivo et est une hélice allongée plus étroite que l'ADN-A. Son large sillon principal le rend plus accessible aux protéines. D'autre part, il a un petit sillon étroit. Les conformations privilégiées de l'ADN-B se produisent à des concentrations d'eau élevées ; l'hydratation du petit sillon semble favoriser l'ADN-B. Les paires de bases de l'ADN-B sont presque perpendiculaires à l'axe de l'hélice. Le pli de sucre qui détermine la forme de l'hélice a, si l'hélice existera dans la forme A ou dans la forme B, se produit au niveau de l'endo C2'.

L'ADN-A est une forme du duplex d'ADN observé dans des conditions de déshydratation. Il est plus court et plus large que l'ADN-B. L'ARN adopte cette double forme hélicoïdale et les duplex ARN-ADN sont pour la plupart de forme A, mais des duplex ARN-ADN de forme B ont été observés. Dans des contextes localisés de dinucléotide simple brin, l'ARN peut également adopter la forme B sans s'apparier à l'ADN. L'ADN-A a un sillon principal profond et étroit qui ne le rend pas facilement accessible aux protéines. D'autre part, son petit sillon large et peu profond le rend accessible aux protéines mais avec une teneur en information plus faible que le grand sillon. Sa conformation privilégiée est à de faibles concentrations en eau. Les paires de bases des ADN-A sont inclinées par rapport à l'axe de l'hélice et sont déplacées par rapport à l'axe. Le pli de sucre se produit au niveau du C3'-endo et dans l'ARN, le 2'-OH inhibe la conformation C2'-endo. Longtemps considéré comme un peu plus qu'un artifice de laboratoire, l' ADN-A est maintenant connu pour avoir plusieurs fonctions biologiques .

L'ADN-Z est une double hélice pour gaucher relativement rare. Compte tenu de la séquence appropriée et de la tension superhélicoïdale, il peut être formé in vivo mais sa fonction n'est pas claire. Il a une hélice plus étroite et plus allongée que A ou B. Le sillon principal de l'ADN-Z n'est pas vraiment un sillon, et il a un sillon mineur étroit. La conformation la plus favorisée se produit lorsqu'il y a des concentrations élevées de sel. Il existe quelques substitutions de bases mais elles nécessitent une séquence purine-pyrimidine alternée. Le N2-amino de la G H se lie à la 5' PO, ce qui explique le lent échange de protons et le besoin de la G purine. Les paires de bases d'ADN-Z sont presque perpendiculaires à l'axe de l'hélice. L'ADN-Z ne contient pas de paires de bases uniques mais plutôt une répétition GpC avec des distances PP variant pour GpC et CpG. Sur la pile GpC, il y a un bon chevauchement de base, alors que sur la pile CpG, il y a moins de chevauchement. L'épine dorsale en zigzag de l'ADN-Z est due à la conformation du sucre C compensant la conformation de la liaison glycosidique G. La conformation de G est syn, C2'-endo; pour C, c'est anti, C3'-endo.

Une molécule d'ADN linéaire ayant des extrémités libres peut tourner, pour s'adapter aux changements de divers processus dynamiques dans la cellule, en changeant le nombre de fois que les deux chaînes de sa double hélice se tordent l'une autour de l'autre. Certaines molécules d'ADN sont circulaires et sont topologiquement contraintes. Plus récemment, l'ARN circulaire a également été décrit comme une classe naturelle omniprésente d'acides nucléiques, exprimé dans de nombreux organismes (voir CircRNA ).

Un ADN circulaire fermé de manière covalente (également connu sous le nom de cccDNA) est topologiquement contraint car le nombre de fois que les chaînes enroulées les unes autour des autres ne peuvent pas changer. Ce cccDNA peut être superenroulé , qui est la structure tertiaire de l'ADN. Le supercoiling est caractérisé par le nombre de liaison, la torsion et la torsion. Le nombre de liaison (Lk) pour l'ADN circulaire est défini comme le nombre de fois qu'un brin devrait traverser l'autre brin pour séparer complètement les deux brins. Le nombre de liaison pour l'ADN circulaire ne peut être modifié que par rupture d'une liaison covalente dans l'un des deux brins. Toujours un nombre entier, le numéro de liaison d'un cccDNA est la somme de deux composants : torsions (Tw) et torsions (Wr).

${\displaystyle Lk=Tw+Wr}$

Les torsions sont le nombre de fois où les deux brins d'ADN sont torsadés l'un autour de l'autre. Les contorsions sont le nombre de fois où l'hélice d'ADN se croise sur elle-même. L'ADN dans les cellules est surenroulé négativement et a tendance à se dérouler. Par conséquent, la séparation des brins est plus facile dans l'ADN surenroulé négativement que dans l'ADN relâché. Les deux composants de l'ADN superenroulé sont le solénoïde et la plétonémie. Le superenroulement plectonémique se trouve chez les procaryotes, tandis que le superenroulement solénoïde est principalement observé chez les eucaryotes.

Structure quaternaire

La structure quaternaire des acides nucléiques est similaire à celle de la structure quaternaire des protéines . Bien que certains des concepts ne soient pas exactement les mêmes, la structure quaternaire fait référence à un niveau supérieur d'organisation des acides nucléiques. De plus, il fait référence aux interactions des acides nucléiques avec d'autres molécules. La forme la plus couramment observée d'organisation de niveau supérieur des acides nucléiques est la forme de la chromatine qui conduit à ses interactions avec les petites protéines histones . De plus, la structure quaternaire fait référence aux interactions entre des unités d'ARN distinctes dans le ribosome ou le spliceosome .

Voir également

Les références