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ADN nucléaire et ADN mitochondrial

LES BASES AZOTEES




Les bases azotées sont les composées essentielles de l'ADN et de l'ARN. Les bases azotées sont composées des bases puriques et des bases pyrimidiques.
-Les bases puriques contenues dans l'ADN ou l'ARN sont essentiellement l'adénine et la guanine, ce sont des dérivés de la purine.

Purine
Adénine (A) ou 6-amino-purine
Guanine (G) ou 2-amino-6-oxy-purine




-Les bases pyrimidiques contenues dans l'ADN sont la cytosine et la thymine, dans l'ARN on trouve la cytosine, l'uracile et rarement la thymine (bras et boucle Tphi des ARN de transfert), ce sont des dérivés de la pyrimidine.

Pyrimidine.
Cytosine (C) dans l'ADN et l'ARN,
2-oxy-4-amino-pyrimidine.
Uracile (U) dans l'ARN,
2,4-dioxy-pyrimidine.
Thymine (T) dans l'ADN rarement dans l'ARN,
2,4-dioxy-5-méthyl-pyrimidine.



-La tautomérisation.
Les figures ci-dessus sont sous la forme céto (ou lactame) qui est plus présente au pH physiologique que la forme énol (ou lactime).




 

LES NUCLEOSIDES ET NUCLEOTIDES.




Un nucléoside est une molécule formée soit d’un ribose soit d’un désoxy-ribose avec soit une base purique soit une base pyrimidique. La liaison se fait entre le carbone C1’ du pentose (ribose ou désoxy-ribose) et l’azote N9 de la base purique ou N1 de la base pyrimidique. Le pentose est sous la forme furanose et la liaison osidique est sous la forme b.
Nomenclature des principaux nucléosides:

 

BASE

RIBONUCLEOSIDE

DESOXYRIBONUCLEOSIDE

Adénine

Adénosine

Désoxyadénosine

Guanine

Guanosine

Désoxyguanosine

Uracile

Uridine

Désoxyuridine

Cytosine

Cytidine

Désoxycytidine

Thymine

Thymine ribonucléoside (rare)

Désoxythymidine ou thymidine

 


Exemples de nucléosides :

 

 

Thymidine

 

Adénosine

 



Un nucléotide (ou nucléoside-monophosphate) est un nucléoside avec un phosphate sur le carbone C5' du pentose, on parle aussi d'ester phosphorique de nucléosides.
Nomenclature des principaux nucléotides :

 

BASE

Ribonucléoside-5'-monophosphate

Désoxyribonucléoside-5'-mnophosphate

Adénine

Adénosine-5'-monophosphate = AMP

Désoxyadénosine-5'-monophosphate = dAMP

Guanine

Guanosine-5'-monophosphate = GMP

Désoxyguanosine-5'-monophosphate = dGMP

Uracile

Uridine-5'-monophosphate = UMP

Désoxyuridine-5'-monophosphate = dUMP

Cytosine

Cytidine-5'-monophosphate = CMP

Désoxycytidine-5'-monophosphate = dCMP

Thymine

Thymine riboside-5'-monophosphate (rare)

Désoxythymidine-5'-monophosphate = dTMP

 

Exemples de nucléotides :

 

 

Désoxythymidine-5'-monophosphate = dTMP

 

Adénosine-5'-monophosphate = AMP


STRUCTURE PRIMAIRE DES ACIDES NUCLEIQUES





Les acides nucléiques ne sont ni plus ni moins que des polymères de nucléotides (nucléosides mono-phosphates). La liaison entre deux nucléotides successifs se fait grâce à des liaisons 3'-5' phosphodiester.
Exemple: pApApAp
Dans cet exemple on a du ribose (on a un OH sur le carbone C2') donc ceci est une partie d'un brin d' ARN, si il n'y avait pas de OH sur le C2', on aurait alors du désoxyribose donc de l' ADN.
Lorsque que l'on écrit une séquence nucléotidique c'est toujours dans le sens 5'->3', ici le premier A de pApApAp est en haut et le troisième en bas. 

LA STRUCTURE SECONDAIRE DE L'ADN





L'ADN est constitué de 2 brins d'acides nucléiques complémentaires et anti-parallèles.
  • Complémentarité : les bases des acides nucléiques s'apparient grâce à des liaisons H (hydrogène). Il se forme 3 liaisons H entre C et G et 2 liaisons H entre A et T:

    Donc si on a A sur un brin, en face on a T et réciproquement. Si sur un brin on a G, en face on aura un C et réciproquement : A / T = C / G = 1, c'est la loi de CHARGAFF.
  • Anti-parallèle : les 2 brins sont dits anti-parallèle, car leur polarité est inversée. Dans une double hélice d'ADN un brin est dans le sens 5'->3' alors que le brin complémentaire est en sens 3'->5'. Lorsque l'on regarde une double hélice d'ADN on peut déterminer le sens d'un brin en regardant l'oxygène du ribose : il n'indique pas le nord mais pointe vers l'extrémité 5'. Si tout va bien, comme les brins sont anti-parallèle, pour 2 bases appariées ensemble les riboses sont en sens inverse.





    Les paires de bases forment des plateaux, l'hélice est un ensemble de plateaux qui forment un espèce d'escalier. La rotation entre 2 plateaux consécutifs est de l'ordre de 36°. Il y a donc 10 paires de bases par tour d'hélice. Ce même tour d'hélice fait 34 Å de long pour un diamêtre de 20 Å. On a donc 3.4 Å entre 2 paires de bases consécutives.

L' hélice d'ADN peut avoir plusieurs configurations (formes) suivant la séquence et la concentration ionique des milieux :


ADN forme A
ADN forme B
ADN forme Z (zigzag)
hélice droite hélice droite hélice gauche
grand sillon : grand
petit sillon : écrasé, inaccessible
grand sillon : grand
petit sillon : petit
Les 2 sillons sont équivalents
paires de bases inclinées de 19° par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice paires de bases perpendiculaires au plan de l'axe de l'hélice paires de bases perpendiculaires au plan de l'axe de l'hélice
Liaison osidique anti Liaison osidique anti Liaison osidique :
purine : syn
pyrimidine :anti
Présence relativement fréquente Présence très fréquente Rare


La forme Z n'est en fait qu'une séquence alternée de C et de G : CGCGCGCG

Vous pouvez voir ces 3 hélices en stéréographie sur le site : http://perso.wanadoo.fr/vincent.masson/stereographie.htm



Une base reliée a un sucre peut être en position anti ou en syn, évidemment la position la plus courante dans l'ADN est anti.

Le sucre contient est un cycle à 5 atomes (4 carbones et 1 oxygène).Comme on a des carbones sp3(tétraédrique), le cycle ne peut pas être plan, il y aura toujours un atome au dessus du plan ou en dessous. En général c'est soit le C2' soit le C3' qui est en dehors du plan. Si l'atome est au dessus du plan on dit qu'il est en position endo, si il est en dessous du plan on dit qu'il est en position exo.
On peut aussi avoir ces deux atomes en dehors du plan, un au dessus et l'autre en dessous. En général dans l'ADN on a un C2' endo et dans l'ARN un C3'endo.

Les plateaux de bases peuvent être décalés entre eux, c'est à dire non parallèles. Il existe 3 types de rotation d'un plateau de paire de bases par rapport à la normale : roulis, tangage et lacet.


LA STRUCTURE SECONDAIRE DE L'ARN





L'ARN peut former une hélice identique à celle de l'ADN grâce à 3 liaisons H entre C et G et 2 entre A et U. La différence avec l'ADN est la présence d'un seul brin, et donc il peut se replier sur lui même, l'ADN par contre est formé de 2 chaînes. La plupart du temps on a des liaisons H dites Watson-Crick qui sont à l'origine des structures en tige boucle. Watson et Crick sont les biologistes qui ont découvert la structure en double hélice d'ADN en 1958.



On peut aussi avoir des liaisons H de type Hoogsteen mais c'est plus rare, on les trouve principalement dans des tRNA par exemple entre les boucles T PHI et D:



ou encore dans les pseudonoeuds:



Les structures secondaires de l'ARN permettent d'obtenir des molécules plus stables, ayant une structure tertiaire donnée, donc d'avoir une fonction catalytique donnée.

PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES
DES ACIDES NUCLEIQUES, HYBRIDATION





La taille des fragments d'acides nucléiques varie beaucoup:
-pour les ARN : 80 (tRNA) à plusieurs milliers
-pour les ADN : 5000 (Phi X 174) à 108 pour un chromosome
On détermine la taille des fragments par sédimentation dans un gradient de chlorure de césium (CsCl) qui s'établit lors de la centrifugation. L'ADN se concentre en une bande à l'endroit où la densité de la solution de CsCl est égale à la sienne et cette densité est généralement déterminée par comparaison avec un ADN de densité connue.
L'ADN absorbe à 260 nm (à cause des bases puriques et pyrimidiques) lorsque l'on chauffe l'ADN, la viscosité diminue et la densité optique à 260 nm augmente. C'est l'hyperchromicité ou effet hyperchrome. Ceci est dû à la séparation des 2 brins d'ADN appelée fusion.On parle alors de température de fusion ou de Tm. Comme il y a 3 liaisons H entre G et C et seulement 2 entre A et T, plus le taux en GC est élevé plus Tm est élevée.
Tm est le point de transition où la moitié des brins sont dissociés, comme on peut le voir sur ce graphique:



Les brins d'ADN peuvent se réapparier si on les refroidit lentement (technique d'hybridation d'ADN et d'ARN utilisée dans les expériences de Northern, Southern, PCR...). Si les brins d'ADN sont refroidit rapidement, ils ne vont pas se réapparier

ACIDE NUCLEIQUE ET
INFORMATION GENETIQUE





L'ADN est le support de l'information génétique qui est transmise de génération en génération.
  • Chez les organismes supérieurs, il y a une corrélation entre la quantité d'ADN contenue dans une cellule et la quantité d'information génétique.
  • On peut voir une corrélation entre la parenté génétique de certaines espèces et l'analogie de composition en bases de leur ADN ou, mieux encore, le degré d'homologie des séquences nucléotidiques de leur ADN.
  • Les agents physiques (exemple : ultra-violet) ou chimique susceptibles de causer des mutations sont ceux qui sont capables d'altérer les brins d'ADN.
  • Chez les micro-organismes, le transfert d'ADN (par transformation, transduction, F-duction, conjugaison) permet le transfert de caractères héréditaires.
  • L'infection d'une cellule bactérienne par un phage se limite à la pénétration d'ADN phagique dans la bactérie.
Il apparait clairement que les gènes (fragments d'ADN porteur de l'information génétique codée sous forme de séquences nucléotidiques) contiennent les instructions permettant aux cellules de polymériser les acides aminés dans un ordre bien précis et de synthétiser ainsi des protéines spécifiques. Une mutation au niveau d'un gène provoque en général la synthèse d'une protéine modifiée. Cette protéine peut avoir une activité altérée, voire nulle. La mutation peut être sans conséquence si les propriétés physicochimiques sont voisines (exemple : même hydrophobicité). L'activité de la protéine peut être aussi augmentée. Darwin en 1850 a proposé la théorie de l'évolution des espèces qui est basée sur la sélection naturelle des mutations favorables. On peut ainsi suivre l'évolution des espèces en suivant l'évolution de la séquence des acides aminés d'une protéine donnée. 
En général le support de l'information génétique est l'ADN, mais quelque fois c'est l'ARN (cas des virus et phages à ARN exclusivement). Juste avant une division cellulaire l'ADN doit être recopié afin que les 2 cellules filles aient le même ADN (quantitativement et qualitativement), c'est la duplication ou encore réplication de l'ADN. Cette information génétique permet la synthèse de protéines mais elle ne se fait pas directement. L'ADN doit être transcrit en ARN messager (ARNm) qui va être traduit en protéine.
Il existe donc différents types de transferts d'informations :

ADN -> ADN
réplication ou duplication
ADN -> ARN
transcription
ARN -> protéines
traduction
ARN -> ARN
cas des virus à ARN : permet la poursuite du cycle infectieux (grâce à l'ARN génomique) et fournit l'ARNm nécessaire au processus infectieux
ARN -> ADN
transcription réverse : nécessaire pour que l'information génétique puisse s'insérer dans l'ADN hôte.
 
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