Nucleic acid structure

La structure des acides nucléiques décrit l'organisation de molécules comme l'ADN et l'ARN. L'ADN et l'ARN sont chimiquement similaires. Leur structure est généralement divisée en quatre niveaux : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire est une chaîne linéaire de nucléotides reliés par des liaisons phosphodiester.

Cette chaîne forme le squelette de l'ADN ou de l'ARN. Chaque nucléotide possède trois parties : une base azotée, un sucre à cinq carbones et un ou plusieurs groupes phosphate. Les bases sont l'adénine, la guanine, la cytosine, la thymine (uniquement dans l'ADN) et l'uracile (uniquement dans l'ARN). Le sucre est le désoxyribose dans l'ADN et le ribose dans l'ARN.

Les bases puriques (adénine et guanine) se lient au carbone 1' du sucre via leur azote 9. Les bases pyrimidiques (cytosine, thymine, uracile) se lient via leur azote 1. Le groupe phosphate se lie au carbone 5' du sucre par une liaison ester. La polarité du squelette provient des atomes d'oxygène et d'azote.

Les nucléotides s'unissent par des liaisons phosphodiester entre les carbones 5' et 3'. Une séquence d'acide nucléique est l'ordre des nucléotides, écrit de l'extrémité 5' à l'extrémité 3'. Pour l'ADN, les lettres sont G, A, C, T ; pour l'ARN, G, A, C, U. Les séquences peuvent être complémentaires : chaque base s'apparie avec un partenaire spécifique, et l'ordre est inversé. Par exemple, le complément de AGCT est TCGA.

L'ADN est double brin, avec un brin sens et un brin antisens ; la séquence complémentaire correspond au brin sens. Les ions de métaux alcalins peuvent se lier aux acides nucléiques à trois sites : les groupes phosphate, les groupes sucre et les groupes base. Les structures à l'état solide de ces complexes ont été examinées. Dans l'ADN, la structure secondaire implique des interactions entre les bases — quelles parties des brins se lient entre elles.

Dans la double hélice, deux brins sont maintenus par des liaisons hydrogène entre les paires de bases. Les purines (adénine et guanine) ont une structure à double cycle ; les pyrimidines (cytosine et thymine) ont un cycle simple. Une purine s'apparie toujours avec une pyrimidine : la guanine avec la cytosine, et l'adénine avec la thymine (ou l'uracile dans l'ARN). La double hélice se forme lorsque deux brins polynucléotidiques s'enroulent l'un autour de l'autre.

Alors que les liaisons hydrogène alignent les paires de bases, des interactions d'empilement plus fortes entre les bases — stabilisées par les forces de van der Waals et les effets hydrophobes — maintiennent les brins ensemble. Ces interactions d'empilement varient localement. L'hélice présente deux sillons : le sillon majeur et le sillon mineur. Dans l'ARN, la structure secondaire provient d'une seule chaîne polynucléotidique.

L'appariement des bases se produit lorsque l'ARN se replie sur lui-même au niveau de régions complémentaires. Les molécules d'ARN contiennent souvent des sections simple et double brin. Les quatre éléments de base sont les hélices, les renflements, les boucles et les jonctions. Les brins antiparallèles forment une forme hélicoïdale.

Les renflements et les boucles internes apparaissent lorsque des nucléotides non appariés séparent la double hélice sur un brin (renflement) ou sur les deux brins (boucle interne). L'élément le plus courant est une tige-boucle (ou boucle en épingle à cheveux), où la chaîne se replie pour former une tige double brin et une boucle simple brin. Une tétraboucle est une structure en épingle à cheveux de quatre bases. Trois familles courantes de tétraboucles dans l'ARN ribosomique sont UNCG, GNRA et CUUG (N est n'importe quel nucléotide, R est une purine) ; UNCG est la plus stable.

Un pseudonœud est une structure secondaire découverte pour la première fois dans le virus de la mosaïque jaune du navet. Il possède au moins deux segments hélicoïdaux reliés par des régions ou boucles simple brin. Dans le repliement de type H, les nucléotides d'une boucle en épingle à cheveux s'apparient avec des bases en dehors de la tige, créant une deuxième tige et une deuxième boucle, formant deux tiges et deux boucles. Les pseudonœuds sont des éléments fonctionnels dans de nombreuses classes d'ARN.

La structure secondaire de l'ARN peut être prédite à partir de données expérimentales sur les hélices, les boucles et les renflements. La méthode DotKnot-PW compare les similitudes dans les tiges, les éléments secondaires et les pseudonœuds de type H pour prédire les pseudonœuds. La structure tertiaire est l'arrangement tridimensionnel des atomes, tenant compte des limites géométriques et stériques. C'est un ordre supérieur à la structure secondaire, impliquant le repliement à grande échelle du polymère linéaire en une forme 3D spécifique. L'ADN peut différer dans quatre domaines structurels, dont l'un est l'hélicité.