Structure secondaire et tertiaire des acides nucléiques
A. Connections entre monomères
L'ADN est constitué d'une succession de nucléosides. La connexion entre deux nucléosides se fait à travers une liaison de type phosphodiester (Cf. image 1), c'est à dire entre l'atome de phosphore du groupement phosphate et les fonctions hydroxyles des (desoxy)riboses.
Les séquences nucléotidiques sont représentées comme une succession de bases azotées, symbolisées par une lettre (A, G, C ou T pour l'ADN ou A, G, C ou U pour l'ARN). Le sens de lecture se fait de l'extrémité 5' (extrémité du groupe phosphate -PO32-) vers l'extrémité 3' (extrémité du groupe -OH). Le sens inverse est appelé ‘antisens'.
Exemple: le brin d'ADN (monocaténaire) ci-contre aurait la séquence suivante: CGAT
B. Appariement des bases
Définition:
L'appariement canonique des bases correspond à l'interaction entre les bases adénine et thymine d'un côté et entre les bases guanine et cytosine de l'autre. Les paires de bases interagissent à travers des interactions électrostatiques de type liaison hydrogène. L'association entre A et T est stabilisée par 2 interactions de type liaison hydrogène. L'association entre G et C est stabilisée par 3 interactions de type liaison hydrogène (Cf. image 3). La structure des bases d'acide nucléique et la directionnalité des interactions de type liaison hydrogène font que l'association de deux bases se fait dans un même plan. Cet appariement canonique s'appelle également appariement Watson-Crick, du nom des 2 biologistes (James Dewey Watson et Francis Crick) lauréats du prix Nobel en 1962 pour la découverte de la structure en double hélice de l'ADN.
Remarque :
D'autres types d'appariements (non canoniques) existent. On peut citer par exemple l'appariement Hoogsteen (du nom du biochimiste Karst Hoogsteen à l'origine de la découverte en 1963) où les bases purines (A ou G) font intervenir le cycle de type imidazole dans l'interaction. Deux types d'appariement Hoogsteen peuvent se former si la base pyrimidine (C ou T) subit une rotation de 180° autour de la liaison osidique. Puisque le site d'interaction entre les bases purines et pyrimidiques est différent par rapport à un appariement Watson-Crick, une troisième association entre base est possible donnant lieu à une structure particulière de l'ADN: la triple hélice.
C. L'ADN, une structure en double hélice
La structure en double hélice de l'ADN (Cf. image 4) est stabilisée par deux forces: les interactions électrostatiques de type liaison hydrogène entre deux paires de base comme décrit précédemment mais également par les interactions de type van der Waals suite à l'empilement des bases (stacking en anglais). Les liaisons π conjuguées formant les cycles aromatiques s'alignent perpendiculairement à l'axe principal de la double hélice et permettent de diminuer leurs interactions avec le solvant.
Exemple :
Video d'une hélice d'ADN
La structure en double hélice confère à l'ADN les propriétés structurales suivantes :
● L'ADN double brin est formé de 2 sillons asymétriques (appelé majeur et mineur ou encore grand et petit sillon)
● La forme majoritaire, celui de la forme B, est appelée hélice droite.
● Chaque paire de base est orthogonale à l'axe de la double hélice (angle +/- 1.2°)
● Un tour d'hélice nécessite ~21 nucléotides (soit ~10.5 paires de base) et s'effectue sur 34 Å
● La distance entre deux bases est d'environ 3.4 Å
● Le diamètre de la double hélice fait 20 Å
Remarque :
En fonction du sens de l'hélice (hélice droite (a) ou gauche (b) sur l'image 5), du nombre de base par tour d'hélice, du diamètre, et d'autres facteurs structuraux, il existe plusieurs conformations de l'ADN. La forme B, la plus courante de toutes les conformations en double hélice de l'ADN en conditions physiologiques est celle décrite dans le paragraphe précédent. On peut également citer la forme A et Z qui sont respectivement plus et moins compacte le long de l'axe principal. Par ailleurs, il existe d'autres formes de l'ADN faisant intervenir 3 ou 4 brins monocaténaires donnant ainsi naissance à un ADN dit “triplex” (cf. appariement Hoogsteen) voire “quadruplex”.
