Bases nucléiques, nucléotides et ADN
Bases nucléiques
Les bases nucléiques sont des composés dérivés d’hétérocycles azotés qui jouent un rôle essentiel dans la chimie du vivant et en particulier dans la constitution des molécules d'ADN et d'ARN. Il existe cinq bases nucléiques principales, dites canoniques : l'adénine, la guanine, la thymine, la cytosine et l'uracile.
La cytosine, la thymine et l’uracile sont des dérivés de la pyrimidine. L’adénine et la guanine sont des dérivés de la purine. Associées par condensation à une molécule de ribose cyclisé (ribofuranose) ou de désoxyribose (un ribose qui a perdu un atome d’oxygène en position 2 du cycle), les bases nucléiques forment des composés appelés nucléosides ou désoxyronucléosides.
La pyrimidine C4H4N2 est un hétérocycle aromatique à six atomes. Le cycle d’une pyrimidine comporte quatre groupes CH et deux atomes d’azote (en position 1 et 3 sur le cycle). Dans le cas de la purine C5H4N4, un cycle imidazole (hétérocycle à cinq atomes comportant trois groupes CH, un atome d’azote et un groupe NH) est accolé au cycle pyrimidine avec lequel il partage deux atomes de carbone. Ces deux molécules sont des base de Lewis au sens chimique du terme.
Une base de Lewis est un composé chimique dont l’un des atomes est porteur d’un doublet d’électrons non liants qui est susceptible de former une liaison de coordination avec un acide de Lewis. Dans le cas des bases azotées, c’est l’un des atomes d’azote inclus dans le cycle qui est porteur de ce doublet.
Adénine
L’adénine est une aminopurine. C’est-à-dire une purine qui porte un groupe amine en position 6 et un atome d’hydrogène sur l’atome d’azote en position 9.
L’adénosine C10H13N5O4 est un nucléoside constitué de l’association d’une molécule d’adénine et d’une molécule de ribofuranose (ribose cyclisé). La liaison entre ces molécules se fait par condensation (élimination d’une molécule d’eau) entre le carbone en 1 du ribose et l’azote en 9 de l’adénine (liaison glycosidique). Le désoxyadénosine C10H13N5O3 est le désoxyribonucléoside correspondant.
Le désoxyadénosine monophosphate est l’un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ADN. L’adénosine monophosphate (AMP) est l’un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ARN.
L’adénosine diphosphate (ADP) et l’adénosine triphosphate (ATP) forment un couple qui est au cœur de tous les transferts d’énergie impliqués dans les processus métaboliques.
Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) est constitué par l’association d’une molécule d’AMP et d’une molécule de nicotinamide mononucléotide (nicotinamide riboside porteur d’un groupe phosphate). C’est une coenzyme intervenant dans les réactions métaboliques d’oxydoréduction (couple NAD+/NADH,H+ ou NADP+/NADPH,H+).
La flavine adénine dinucléotide FAD est un cofacteur d’oxydation associant adénosine et riboflavine.
La coenzyme A, une coenzyme intervenant dans la respiration cellulaire, est composée d'une molécule d'ADP associée à une molécule de vitamine B5 et à une molécule de cystéine (un acide aminé).
Remarque : l'adénine et la guanine présentée ci-dessous se dégradent en acide urique C5H4O3N4, une purine toxique dont l'excès provoque la goutte, une affection particulièrement douloureuse.
Guanine
La guanine est une purine porteuse d’un groupe amine en 2, d’une groupe carbonyle en 6 et de deux atomes d’hydrogène en 1 et 9.
La guanosine C10H13N5O5 est le nucléoside associé à la guanine et le désoxyguanosine C10H13N5O4 le désoxyronucléoside correspondant. Le désoxyguanosine monophosphate est l’un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ADN. La guanosine monophosphate (GMP) est l’un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ARN. La guanosine diphosphate (GDP) et la guanosine triphosphate (GTP) sont des coenzymes. Elles sont associées à une famille d'enzymes appelée GTPase. Elles interviennent dans le transfert des protéines en dehors du noyau ou lors de la mitose (voir le post sur les microtubules).
Cytosine
La cytosine C4H5N3O est une pyrimidine porteuse d’un groupe carbonyle en 2, d’une amine en 4 et d’un atome d’hydrogène en 1.
La cytidine C9H13N3O5 est le nucléoside associé à la cytosine et le désoxycytidine le désoxyribonucléoside correspondant. En version monophosphate, ils font partie des nucléotides entrant (respectivement) dans la composition de l’ARN et de l’ADN. Il existe également des versions diphosphate et triphosphate (CDP, CTP).
Thymine
La thymine C5H6N2O2 est une pyrimidine porteuse de d'un groupe carbonyle en 2 et en 4, d'un groupe méthyle en 5 et d'un atome d'hydrogène supplémentaire sur les atomes d'azote 1 et 3.
Le désoxythymidine est le désoxyribonucléoside obtenu par condensation entre la thymine et le désoxyribose. Sous sa forme monophosphate, c’est l’un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ADN.
Uracile
L’uracile est une pyrimidine porteuse de deux groupes carbonyle en 2 et 4 et de deux atomes d’hydrogène supplémentaire en 1 et 3. L’uridine est le nucléoside associé. L’uridine monophosphate UMP est un des quatre nucléotides entrant dans la composition de l’ARN.
Remarque : on peut dire d'une certaine manière que la thymine est une uracile méthylée (porteuse d'un groupe CH3). La présence de ce groupe méthyle la rend plus stable que l'uracile.
Nucléotides
Les bases nucléiques jouen un rôle essentiel dans la chimie du vivant. Elles sont l'un des trois composants des nucléotides, les briques élémentaires de l'ADN et de l'ARN.
Un nucléotide est un ester de l’acide phosphorique et d’un nucléoside (réaction de phosphorylation). Un nucléoside est un glycosylamine, c’est-à-dire un composé constitué d’une amine liée par une liaison osidique à un ose. La formation d’une glycosylamine à partir d’une amine est une réaction de glycosylation qui aboutit à la condensation d’un groupe hydroxyle de l’ose avec un atome d’hydrogène libéré par le groupe amine. Un nucléotide est donc composé d'un ose, d'une base nucléique et d'un ou plusieurs (3 au maximum) groupes phosphates (par extension, on appelle nucléotide toute molécule constituée d’un pentose, d’une base nucléique et d’un groupe de un à trois phosphates.
Dans le cas des nucléotides qui composent l'ADN ou l'ARN, le sucre (l'ose) est un ribose ou un désoxyribose sous forme cyclique. Le groupe phosphate est en position 5 du (désoxy)ribose tandis que l'amine est en position 1.
Les bases nucléiques des nucléotides qui constituent l'ADN sont l'adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. Dans le cas de l'ARN, on retrouve l'adénine, la guanine et la cytosine mais la thymine est remplacée par l'uracile. Les nucléosides correspondant sont appelés :
- ribothymidine et désoxyribothymidine,
- cytidine et désoxycytidine,
- uridine et désoxyuridine,
- adénosine et désoxyadénosine,
- guanosine et désoxyguanosine.
Remarque : il existe des nucléotides qui comportent une base non canonique, comme la flavine ou le nictotinamide.
Les acides ribonucléiques sont très réactifs et donc peu stables. Ils sont facilement attaqués du fait de la présence d’un groupe hydroxyle sur leur carbone 2. La perte de l’atome d’oxygène de ce groupe rend les acides désoxyribonucléiques beaucoup plus stables. De fait, la durée de vie de l'ARN est assez courte, contrairement à celle de l'ADN (voir plus bas la description de l'ARN et de l'ADN).
Dans les molécules d’ADN et d’ARN (acide désoxyribonucléique, acide ribonucléique) les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons phosphodiester. Leur groupe monophosphate entretient en effet une liaison ester avec le carbone 5 du ribose du nucléotide auquel il appartient et il entretient une autre liaison diester avec le carbone 3 du ribose du nucléotide suivant. (Pour plus d'information, voir le post sur l'ADN.)
Les molécules d’ADN et d’ARN forment naturellement une hélice. Les molécules d’ADN des cellules eucaryotes sont constitués de deux brins complémentaires reliés entre eux par des ponts hydrogène entre les bases de leurs nucléotides (adénine avec thymine, guanine avec cytosine).
C’est ce type de liaison qui structure la double hélice caractéristique des molécules d’ADN (structure dite bicaténaire : double brin).
Les molécules d’ARN sont monocaténaires. Elles ne comportent que 4 types de bases nucléiques : adénine, guanine, uracile, cytosine.
Dans le cytoplasme, certaines molécules d’ARN forment des complexes ribonucléoprotéiques en s’associant avec des protéines.
Remarque : le génome de certains bactériophages, des virus qui s'attaquent aux bactéries, est basé sur un alphabet légèrement différent. L'adénine y est remplacée par la 2,6-diaminopurine (aussi appelée 2-aminoadénine). C'est une aminopurine porteuse de deux groupes amines sur son cycle pyrimidine. Grâce au groupe amine supplémentaire qu'elle porte elle peut entretenir 3 liaisons hydrogène avec la thymine, ce qui rend l'ADN de ces phages plus résistant.
