Biochimie : Les acides nucléiques et structure des génomes

Flashcards de révision sous forme de questions-réponses portant sur la structure des bases azotées, des nucléotides, de la double hélice d'ADN, des ARN et sur la compaction du génome (UE2 Biochimie).

Quelles sont les quatre bases azotées composant l'ADN et celles composant l'ARN ?

L'ADN est composé d'Adénine (A), de Thymine (T), de Guanine (G) et de Cytosine (C). L'ARN est composé d'Adénine (A), d'Uracile (U), de Guanine (G) et de Cytosine (C).

Quelle est la structure chimique commune caractéristique des bases pyrimidiques ?

Elles sont formées d'un seul cycle, le noyau pyrimidine, qui contient des atomes d'azote en positions 1 et 3.

Quelle différence structurale distingue l'uracile de la thymine ?

La thymine est de l'uracile méthylé en C5 (présence d'un groupement $-\text{CH}_3$ en position C5).

Quels sont les rôles de la méthylation en C5 de l'uracile formant la thymine dans l'ADN ?

Elle permet à la machinerie cellulaire de différencier le U du T et de déclencher un signal de réparation si un U est anormalement présent dans l'ADN.

Quelles particularités structurales présente la cytosine en positions C4 et C5 ?

La cytosine possède une fonction amine en C4 (qui peut subir des modifications spontanées) et certaines cytosines sont physiologiquement méthylées en C5.

Quels sont les deux noyaux hétérocycliques dont l'association constitue une base purique ?

Un noyau pyrimidine (avec des azotes en 1 et 3) et un noyau imidazole (contenant 2 azotes en positions 7 et 9).

Comment se distinguent la guanine et l'adénine au niveau de leurs substituants en C2 et C6 ?

En C2, la guanine possède une fonction amine tandis que l'adénine n'en a pas. En C6, la guanine porte une cétone tandis que l'adénine porte une fonction amine.

Pourquoi l'encombrement stérique des bases puriques est-il supérieur à celui des bases pyrimidiques ?

Parce que les purines sont composées de deux noyaux accolés (pyrimidine et imidazole), alors que les pyrimidines ne comportent qu'un seul cycle.

Qu'énonce le ratio de Chargaff pour les molécules d'ADN double brin ?

Les ratios $A/T$ et $C/G$ sont toujours égaux à $1$ dans toutes les espèces du fait de la complémentarité des bases.

Pourquoi l'appariement exclusif entre une purine et une pyrimidine garantit-il la régularité stérique de l'ADN ?

Parce qu'il permet de conserver exactement le même encombrement stérique et le même écartement tout au long de la chaîne, quel que soit le couple ($\text{AT}$ ou $\text{GC}$).

Combien de liaisons hydrogène relient respectivement le couple cytosine/guanine et le couple adénine/thymine ?

La cytosine et la guanine sont reliées par $3$ liaisons hydrogène, tandis que l'adénine et la thymine sont reliées par $2$ liaisons hydrogène.

Quelle conséquence a une proportion élevée de paires GC sur la stabilité thermique de l'ADN ?

L'association GC étant plus forte en raison de ses $3$ liaisons hydrogène, elle augmente la température de melting ($Tm$) de l'acide nucléique.

En quoi consiste la modification physiologique de l'ADN appelée méthylation des cytosines ?

Elle consiste en l'ajout d'un groupement $-\text{CH}_3$ en position C5 sur une cytosine.

Que sont les îlots CpG et quel est l'effet de leur méthylation sur l'expression génique ?

Ce sont des répétitions de dinucléotides CG situées dans les régions promotrices des gènes ; la méthylation des cytosines y diminue généralement l'expression du gène.

Qu'est-ce que la désamination oxydative d'une base azotée ?

C'est la perte pathologique d'une fonction amine ($-\text{NH}_2$) remplacée par un oxygène ($-\text{O}$), consécutive au stress oxydant.

Quel composé résulte de la désamination oxydative d'une cytosine non méthylée par rapport à une cytosine méthylée ?

Une cytosine non méthylée donne de l'uracile, tandis qu'une cytosine méthylée donne de la thymine (uracile méthylé).

Quel mésappariement est induit par la désamination oxydative d'une cytosine méthylée dans un îlot CpG ?

La cytosine méthylée devient une thymine, qui s'apparie avec une adénine au lieu de la guanine initiale.

Quelle base atypique résulte de la désamination oxydative de l'adénine et avec quelle base s'apparie-t-elle ?

Elle forme l'hypoxanthine, qui s'apparie anormalement avec une guanine (G) au lieu d'une thymine (T), entraînant une mutation.

Quelle est la nature chimique du squelette d'oses des acides nucléiques ?

C'est un aldopentose (aldose à 5 carbones) qui se cyclise en solution sous forme d'un hétérocycle furane.

Quelle différence structurale sépare le sucre de l'ARN de celui de l'ADN en position 2' ?

Le ribose de l'ARN possède un groupement alcool ($2'\text{-OH}$), tandis que le désoxyribose de l'ADN en est dépourvu ($2'\text{-H}$).

Quelle conséquence la présence du $2'\text{-OH}$ a-t-elle sur la stabilité chimique de l'ARN comparé à l'ADN ?

Le $2'\text{-OH}$ rend l'ARN labile et plus sensible à l'hydrolyse alcaline, alors que l'absence de cet oxygène stabilise l'ADN.

Pourquoi la position $3'\text{-OH}$ du sucre est-elle indispensable à la polymérisation des acides nucléiques ?

C'est au niveau de ce $3'\text{-OH}$ que s'effectue l'élongation de la chaîne d'acide nucléique lors de la polymérisation (et lors du séquençage Sanger).

Pourquoi la numérotation des carbones de l'ose comporte-t-elle un prime ($1'$, $2'$, etc.) ?

Pour permettre de distinguer les atomes de l'ose de ceux des cycles des bases azotées dont la numérotation ne porte pas de prime.

Qu'est-ce qu'un nucléoside et quelle liaison relie ses constituants ?

C'est l'association base + sucre par une liaison N-osidique (N-glycosidique) entre le $1'\text{-OH}$ du sucre et l'azote 1 (pyrimidine) ou 9 (purine).

Qu'est-ce qu'un nucléotide et quelle liaison relie le phosphate au sucre ?

C'est l'association base + sucre + phosphate, formée par estérification du $5'\text{-OH}$ du sucre par un acide phosphorique (liaison ester).

Quels sont les noms des quatre nucléosides de l'ADN ?

Désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxycytidine et thymidine.

Quels sont les noms des quatre nucléosides de l'ARN ?

Adénosine, guanosine, cytidine et uridine.

Quelles sont les abréviations des nucléotides monophosphates constitutifs de l'ADN ?

dAMP, dGMP, dCMP et TMP.

Quelles sont les abréviations des nucléotides monophosphates constitutifs de l'ARN ?

AMP, GMP, CMP et UMP.

Quels atomes unissent les nucléotides adjacents via une liaison phosphodiester ?

Le groupement $3'\text{-OH}$ du sucre du nucléotide $n$ et le groupement $5'\text{-phosphate}$ du nucléotide $n+1$.

Selon quelle convention d'orientation s'effectue la synthèse des chaînes nucléotidiques ?

Les polymères sont toujours orientés de $5'$ vers $3'$ (du premier $5'\text{-phosphate}$ libre au dernier $3'\text{-OH}$ libre).

Comment s'organisent spatialement le squelette ose-phosphate et les bases azotées dans l'ADN-B ?

Le squelette ose-phosphate est dirigé vers l'extérieur (les « rambardes ») et les bases azotées se trouvent au centre (les « marches »).

Quelle est l'orientation du plan des bases azotées par rapport à l'axe de la double hélice d'ADN-B ?

Le plan des bases est quasi perpendiculaire à l'axe de l'hélice.

Que signifie le fait que les deux brins d'ADN soient antiparallèles ?

Ils sont orientés tête-bêche, c'est-à-dire que leurs sens $5' \rightarrow 3'$ sont opposés.

Quelles forces non covalentes stabilisent la double hélice d'ADN ?

Les liaisons hydrogène entre bases complémentaires et les interactions hydrophobes entre les étages de bases.

Quelles sont les mesures caractéristiques d'un tour complet d'hélice d'ADN-B et son diamètre ?

1 tour d'hélice mesure $34\,\text{Å}$ et comprend $10$ paires de bases ; le diamètre de l'hélice est de $20\,\text{Å}$.

Quel est le rôle biologique des petits et grands sillons de l'hélice d'ADN ?

Ils constituent des zones privilégiées d'accès aux bases pour la fixation spécifique de protéines, telles que les facteurs de transcription.

Que provoque un mésappariement de bases sur la régularité de l'hélice d'ADN ?

Il entraîne une perte de la régularité de la structure, ce qui constitue un signal de reconnaissance pour les systèmes cellulaires de réparation.

Quels facteurs permettent de rompre les liaisons hydrogène de l'ADN in vivo et in vitro ?

In vivo par des enzymes lors de la réplication/transcription ; in vitro par la chaleur (ex. PCR), les variations de pH ou des solvants organiques (urée, formamide).

Que représente le point d'inflexion indiqué à 50% d'ADN dénaturé sur cette courbe d'absorbance à 260 nm ?

La température de melting ($Tm$) ou température de fusion de l'acide nucléique.

Pourquoi une séquence de plus de 20 nucléotides est-elle statistiquement unique dans le génome humain ?

Parce que compte tenu de la taille du génome humain ($\approx 3 \times 10^9\,\text{paires de bases}$), la probabilité mathématique de retrouver aléatoirement une suite identique de plus de 20 nucléotides est quasi nulle.

Qu'est-ce qu'une enzyme de restriction et quelle est son origine biologique ?

C'est un ciseau moléculaire d'origine bactérienne permettant à la bactérie de se défendre contre les bactériophages en clivant leur ADN au niveau de séquences spécifiques.

Quelle est la structure de la séquence reconnue par une enzyme de restriction ?

Une séquence palindromique (qui se lit de la même façon dans les deux sens selon le brin considéré) longue de $4$ à $8$ nucléotides.

Quelle est la différence entre des enzymes isoschizomères et néoschizomères ?

Les isoschizomères reconnaissent le même site de restriction ; les néoschizomères reconnaissent le même site mais ne coupent pas au même endroit dans la séquence.

Quelle différence distingue une coupure à bouts francs d'une coupure à extrémités cohésives ?

À bouts francs, l'enzyme coupe au milieu du site ; pour les extrémités cohésives, la coupure est dissymétrique, générant des extrémités simples brins débordantes.

Quel est le site reconnu et le mode de coupure respectif de HaeIII et EcoRI ?

HaeIII reconnaît GGCC et coupe au centre (GG/CC, bouts francs) ; EcoRI (extraite de E. coli RYB) reconnaît GAATTC et coupe de manière excentrée (G/AATTC, cohésive).

Quelle liaison est catalysée par la DNA ligase ?

La formation d'une liaison phosphodiester entre l'extrémité $3'\text{-OH}$ libre d'un fragment et l'extrémité $5'\text{-P}$ d'un autre fragment d'ADN.

Quelles sont les trois différences fondamentales entre l'ARN et l'ADN ?

Le sucre (ribose vs désoxyribose), une base pyrimidique (uracile vs thymine) et sa conformation par nature (molécule simple brin vs double brin).

Comment s'organisent les structures secondaires de type tiges/boucles dans l'ARN ?

Les tiges correspondent aux zones d'appariements complémentaires intrabrins (AU et GC stabilisés par liaisons hydrogène) et les boucles correspondent aux zones non appariées.

Quels sont les quatre types d'ARN ribosomaux (ARNr) présents chez l'Homme ?

Les ARNr 5S, 5,8S, 18S et 28S.

Quelles sont les deux régions fonctionnelles clés d'un ARNt ?

La boucle portant l'anticodon (qui reconnaît le codon de l'ARNm par complémentarité) et le site d'attachement à l'extrémité $3'$ qui lie l'acide aminé correspondant.

Quelle proportion approximative de l'ARN total représente l'ARNm dans la cellule ?

L'ARNm représente une faible proportion des ARN totaux, soit environ $5\%$.

Quelle est la taille moyenne des microARN (miARN) et quel complexe assure leur maturation initiale ?

Ce sont de petits ARN simples brins non codants de $21$ à $24$ nucléotides issus de la maturation d'une structure tige-boucle par le système Drosha.

Quels sont les deux mécanismes d'action possibles des microARN sur leur ARNm cible ?

Selon le degré de complémentarité : soit la dégradation complète de l'ARNm cible, soit l'inhibition de sa traduction.

Quelles sont les tailles respectives des génomes indiquées sur cet axe pour le virus, la bactérie et l'Homme ?

$10^3\,\text{pb}$ pour le virus, $4 \times 10^6\,\text{pb}$ pour la bactérie et $3 \times 10^9\,\text{pb}$ pour l'Homme.

Quelle est la relation entre la taille du génome et le pourcentage d'ADN codant chez les procaryotes et l'Homme ?

La relation est inverse : plus la taille augmente, plus la part codante diminue ($90\%$ chez les procaryotes contre $<2\%$ chez l'Homme).

De quoi est formé le « core » du nucléosome et quelle longueur d'ADN s'y enroule ?

D'un octamère d'histones constitué de 2 copies de H2A, H2B, H3 et H4, autour duquel s'enroulent $146\,\text{pb}$ d'ADN (stabilisé par l'histone H1).

Sur ce schéma d'un chromosome, quelles régions chromosomiques constituent l'hétérochromatine constitutive ?

Les télomères (extrémités) et le centromère.

Quelles enzymes catalysent respectivement l'acétylation favorisant l'euchromatine active et la déacétylation conduisant à l'hétérochromatine inactive ?

Les histone acétylases (HAT) catalysent l'acétylation et les histone déacétylases (HDAC) catalysent la déacétylation.

D'après cette organisation type d'un gène eucaryote, quels sont respectivement les signaux de début et de fin de la traduction indiqués ?

Le codon initiateur ATG pour le début de la traduction et le codon stop TAG pour la fin de la traduction.

Composition élémentaire de la chromatine eucaryote

Association d'une molécule d'ADN double brin avec des protéines nucléaires (histones et protéines non-histones).

Longueur moyenne et disposition de l'ADN internucléosomique (linker)

Segment d'ADN non enroulé d'environ $50\,\text{pb}$ reliant deux nucléosomes successifs dans la structure en collier de perles.

Rôle de l'histone de liaison H1 dans l'architecture du nucléosome

Elle agit comme un connecteur externe qui scelle et stabilise les $146\,\text{pb}$ d'ADN enroulées autour du core d'histones.

Stade du cycle cellulaire caractérisé par la compaction maximale de l'ADN

La mitose (précisément en métaphase), sous la forme de chromosomes individualisés observables sur un caryotype.

Conséquence du niveau de compaction des chromosomes métaphasiques sur la transcription

L'ADN y est totalement inaccessible aux machineries cellulaires, ce qui rend impossible toute transcription génique.

Propriétés structurales et transcriptionnelles de l'euchromatine

État décondensé et actif de la chromatine, permettant aux facteurs de transcription d'accéder aux gènes pour les transcrire.

Propriétés structurales et transcriptionnelles de l'hétérochromatine

État hautement compacté et silencieux de la chromatine, rendant l'ADN inaccessible aux facteurs de transcription.

Caractéristiques distinctives de l'hétérochromatine constitutive

Régions chromosomiques sans gènes, formées de séquences répétées et restant condensées en permanence dans tous les types cellulaires.

Rôle structural des centromères au sein de l'hétérochromatine constitutive

Régions chromosomiques spécialisées permettant le maintien des deux chromatides sœurs unies avant leur ségrégation.

Rôle des télomères dans la structure chromosomique

Régions d'hétérochromatine constitutive situées aux extrémités des chromosomes assurant le maintien de leur longueur et de leur intégrité.

Région des histones cible des modifications post-traductionnelles épigénétiques

Leurs queues N-terminales libres qui font saillie hors du core d'histones, particulièrement riches en résidus lysine.

Mécanisme par lequel l'acétylation des histones favorise l'expression génique

L'histone acétylase (HAT) acétyle les lysines des queues d'histones, neutralisant leur charge et entraînant la décondensation en euchromatine active.

Conséquence moléculaire de la déacétylation des histones par les HDAC

Elle retire les groupements acétyles des lysines, rétablissant la condensation de la chromatine en hétérochromatine inactive.

Mode d'action des complexes de remodelage chromatinien SWI/SNF

Ils mobilisent et font rouler les nucléosomes le long de l'ADN par un mécanisme actif ATP-dépendant afin de moduler l'accessibilité des promoteurs.

Définition biologique exacte d'un gène eucaryote

Séquence d'ADN codant pour un ARN fonctionnel, qui n'est pas nécessairement traduit en protéine.

Localisation et rôle global de la région promotrice d'un gène eucaryote

Région située en amont du site d'initiation de la transcription ($+1$), contenant des éléments régulateurs et recrutant la machinerie transcriptionnelle.

Fonction de la boîte TATA au sein du promoteur d'un gène

Séquence nucléotidique spécifique servant de site d'assemblage et de recrutement de la machinerie transcriptionnelle basale.

Désignation conventionnelle du site d'initiation de la transcription d'un gène

Le premier nucléotide transcrit est noté $+1$ et matérialisé par une flèche orientée dans le sens de la synthèse.

Différence fondamentale entre les bornes de transcription et de traduction d'un gène

La transcription démarre au site $+1$ et finit au signal de terminaison, alors que la traduction démarre au codon ATG et s'achève au codon stop.

Organisation interne de la séquence transcrite d'un gène eucaryote

Alternance de séquences conservées dans l'ARNm mature (les exons) et de séquences non codantes vouées à être excisées (les introns).