| Date post: | 03-Apr-2015 |
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La Chimie du Vivant
Marius Ré[email protected]
iSm2/BiosCiences UMR CNRS 6263, service 342 Université Paul Cézanne Aix-Marseille III, Faculté des Sciences et
Techniquesavenue Escadrille Normandie-Niemen, 13397 Marseille cedex 20
http://www.biosciences.univ-cezanne.fr
Le dogme
AAAmRNA
tRNAtraduction
transcription
DNA
réplication
protéine
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L’art ancien et l’ADN
L’art contemporain et l’ADN
“Galacidalacidesoxyribonucleicacid” de Dali
Pour Dali, l'ADN était la preuve de l'existence de Dieu. Qui pouvait créer une structure aussi
parfaite ?
Le 25 avril 1953, Crick et Watson révèlent la structure de l'ADN
Prix Nobel de Medecine en 1962F. Crick, J. Watson et M. Wilkins
http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/index.html
Erwin Chargaff
Rosalind Franklin
Les 3 éléments de base des acides nucléïques
Base
O
OHO
HH
HH
OPO
O-
O
P
O-
O O
Base
O
HO
HH
HH
OPO
O-
O
P
O-
O OADN ARN
Les 3 éléments de base des acides nucléïques
Purines
Adénine (A)
N
NNH
N
NH2
Guanine (G)
N
NH
O
NH2
N
NH
Pyrimidines
Cytosine (C)
NH
N
O
NH2
Thymine (T)
NH
NH
O
O
NH
NH
O
O
Uracyle (U)
Les règles de Chargaff (fin des années 1940)
PyrimidinesPurines
Adénine (A) Guanine (G)
N
NNH
N
NH2
N
NH
O
NH2
N
NH
Thymine (T)Cytosine (C)
NH
N
O
NH2
NH
NH
O
O
T + C
A + G= 1 = 1
C
G =
T
A et
Paires AT et GCPaires AT et GC
Rosalind Franklin : 1953, premier cliché de diffraction des rayons X qui
révèle une structure hélicoïdale
microscopie électronique
diamètre = 20 Å
ADN, deux brins anti-parallèles
O
HO
NN
O
O
O
PO O
-O
O NN
N
O
OP
O
-O
O
NN
N O
N
NO
OP
O O
-O
NN
N
N NO
OP
-O
-O
O
HH
H
HH
HH
H
N N
O
O
H
NN
N
O
HH
NN
N
NO
NH
H
H
NN
N
NNHH
OOH
O
POO
O-
O
O
PO
O-
O
O
O
PO
O
O-
O
O
PO-
O-
O
3’
5’
5’
3’
T
C
G
A
A
G
C
T
ADN, double hélice droite
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❾
❷
❽❼❻❺❹❸
❶
34 Å
10.7 Å
Deoxyribose, conformations exo/endo
O
H
BO
H
H
O
P
P
O
HO
B
H
H
O
P
P
BO
P
OP
BO
P
O
P
O O
H H
3’2’
C3’exo-C2’endo C3'endo-C2’exo
Conformations syn/anti
O
H
NO
H
H
O
P
PN
N
NO
H2NH
O
H
NO
H
H
O
P
P
N
N N
H2N
H
O
O
HO
N
H
H
O
P
P
N
N
NO
H2N H
O
HO
N
H
H
O
P
P
N
NN
O
H
NH2
C2’ endo/syn
C2' endo/anti
C3’ endo/synC3' endo/anti
O
H
NO
H
H
O
P
P
O
H
NO
H
H
O
P
P
O
HO
N
H
H
O
P
P
O
HO
N
H
H
O
P
P
N
O
NH2
N
N
N
O
O
O
NH2 NH2
NH2
Conformations syn/anti
C2’ endo/antiC2' endo/syn
C3’ endo/anti C3' endo/syn
Forme commune dans les conditions physiologiques à faible force ionique et haut degré d’hydratation.
Polymorphisme de l’ADN : forme B
Petit sillon
Grand sillon
Petit sillon
C2' endo/anti
Aux fortes concentrations en cations ou aux faibles degrés d’hydratation (11 p. b./tour), 2 sillons (1 grand étroit et
profond et 1 petit large et peu profond).
Polymorphisme de l’ADN : forme A
Grand sillon
Petit sillon
C3’ endo/syn
Forme riche en paires G-C, allongée et étroite, possède une unusuelle hélice gauche (12 p.b./tour) et un seul sillon
compact.
Polymorphisme de l’ADN : forme Z (zigzag)
Petit sillon
Grand sillonC2' endo/anti C3’ endo/syn
nucléosomes
Chromosome
chromatine
DNA, le packaging
Appariement à 3 bases
N
N
N
NN
NN
O
O
H
H
H
RR
A
T
N
NO
OH
RT
N
NN
NO
N
NN
N
O
H
H
H
H
H
R
R
N
NN
O
C+H
H
R
H
C
G
Watson-Crick Watson-Crick
Hoogstein Hoogstein
Triple hélice
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Quadruplex
Télomères
N
NN
NO
N
H
H
H
R
N
N
NN
ON
HH
H
R
N
NN
NO
N
H
H
H
R
N
N
NN
ON
HH
H
R
Mn+
Télomères
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Le dogme
AAAmRNA
tRNAtraduction
transcription
DNA
réplication
protéine
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Réplication
Réplication
Transcription
Transcription et traduction
Traduction
Traduction
ARN de transfert (ARNt)
ARNt, l’anti-codon
Anticodon
Codon
Le code universel43 (64) codons pour 20 amino-
acidesTTT F Phe TCT S Ser TAT Y Tyr TGT C Cys TTC F Phe TCC S Ser TAC Y Tyr TGC C Cys TTA L Leu TCA S Ser TAA * Ter TGA * Ter TTG L Leu i TCG S Ser TAG * Ter TGG W Trp
CTT L Leu CCT P Pro CAT H His CGT R Arg CTC L Leu CCC P Pro CAC H His CGC R Arg CTA L Leu CCA P Pro CAA Q Gln CGA R Arg CTG L Leu i CCG P Pro CAG Q Gln CGG R Arg
ATT I Ile ACT T Thr AAT N Asn AGT S Ser ATC I Ile ACC T Thr AAC N Asn AGC S Ser ATA I Ile ACA T Thr AAA K Lys AGA R Arg ATG M Met i ACG T Thr AAG K Lys AGG R Arg
GTT V Val GCT A Ala GAT D Asp GGT G Gly GTC V Val GCC A Ala GAC D Asp GGC G Gly GTA V Val GCA A Ala GAA E Glu GGA G Gly GTG V Val GCG A Ala GAG E Glu GGG G Gly
35
L’homme n’est jamais satisfait
« We not only want to know how Nature is (and how her transactions are carried through), but we also want to reach, if possible, a goal which may seem utopian and presumptuous, namely, to know why Nature is such and not otherwise. »
Albert Einstein in Festschrift für Aurel Stodola,E. Honegger, Ed. (Orell Füssli, Zürich, 1929).
36
La structure en double hélice de l’ADN violerait-elle les lois élémentaires de la chimie?
« … duplex structure appears to violate many of the rules that chemists might themselves use to design molecular recognition systems. For example, the double helix appears to disregard Coulomb’s law. Cations bind anions, and anion bind cations. In DNA, however, a polyanion binds another polyanion. One might think (and indeed, many have thought) that the duplex would be more stable if one strand were uncharged, or polycationic. Likewise, chemists often exploit rigidity when designing receptors to fit ligands. DNA strands are floppy. One would think (and many have thought) that conformationally rigid DNA analogues should be better at molecular recognition.Another curious feature of the DNA duplex is its use of hydrogen bonding to achieve specificity. This would not be the chemist’s preference in water, where hydrogen bonding to solvent competes with interstrand hydrogen bonding. Indeed, several groups have sought to dispense with hydrogen bonding between nucleobases entirely. »
Steven A. Benner Acc. Chem. Res. 2004, 37, 784
ADN, 3 éléments indispensables?
Base
O
HO
HH
HH
OPO
O-
O
P
O-
O O
Peut-on changer les liens phosphate?
SO2-linked RNAs appariements de type Watson-Crick pour des courtes séquences mais agrégation avec de longues
séquences.
B2
O
OHCH2
HH
HH
CH2SO
O
S
O
O CH2
B1
O
OHCH2
HH
HH
CH2SO
O
CH2
B2
O
OHO
HH
HH
OPO
O
P
O
O O
B1
O
OHO
HH
HH
OPO
O
O
Peut-on changer le ribose?
40
Peut-on changer le ribose?
41
Chimie pré-biotique
Peut-on changer les bases nucléïques?
43
5 nouveaux appariements possibles
44
Vers un alphabet génétique artificiel
Artificially Expanded Genetic Information System (AEGIS)
5’--CACN1ACTTTCTCCT-3’3’-TGTGN2TGAAAGAGG--5’
Température de fusion
Vers un alphabet génétique artificiel
Artificially Expanded Genetic Information System (AEGIS)
N
N
N
NN
N
N
O
O
H
H
H
R
R
AT
N
N
O
O
R
N
N
N
N
R
NH
H
H
N
N
N
NN
R
N
N
O
H
O H
R
H
H
N
N
N
NN
N
N
O
O
H
H
H
R
R
AT
T
A
x A
x T
10.7 Å 12.9 Å 47
A four-base paired genetic helix with expanded size
H. Liu, J. Ga, S. R. Lynch, D. Saito, L. Maynard and E. T. KoolScience 2003, 302, 868-871.
d(xATxAxATxATTxAT) d(AxTAAxTAxTxTAxT) d(xAxTxAxAxTxAxTxTxAxT)
Stabilité du duplex
Contrôle : d(ATAATATTAT)
Artificial metallo-DNA: a bio-inspired approach to metal array programming
M. Shionoya and K. Tanaka Current Opinion in Chemical Biology 2004.
Augmentation de la diversité…
Augmentation de la diversité…
52
Vers de futur matériaux
N
O
O
OPOO-
O
PO-
O O
OO
N
O
O
O P OO-
O
PO-
OO
OO
Cu
La structure en hélice est respectée…
