LES ACIDES NUCLÉIQUES
« QUE SAIS -JE? »
LE POINT DES CONNAISSANCES ACTUELLES
N° 1061
LES ACIDES NUCLÉIQUES
par
Michel PRIVAT DE GARILHE
Docteur ès Sciences
D E U X I È M E É D I T I O N R E V U E E T M I S E A J O U R
PRESSES UNIVERSITAIRES DE FRANCE 108, BOULEVARD SAINT-GERMAIN, PARIS
1966
DIX-HUITIÈME MILLE
DÉPOT LÉGAL
1 édition 3e trimestre 1963
2 — 3 — 1966
TOUS DROITS
de traduction, de reproduction et d'adaptation réservés pour tous pays
© 1963, Presses Universitaires de France
INTRODUCTION ET HISTORIQUE
La vie et la reproduction de cellules animales ou végétales ne peuvent avoir lieu que si la cellule- mère synthétise les substances nécessaires à la formation de la cellule-fille : il s'agit d'une « auto- duplication » de la cellule-mère grâce à des méca- nismes complexes où les filaments chromosomes contenus dans le noyau cellulaire jouent un rôle fondamental. On sait que le « patrimoine hérédi- taire » de la cellule est porté par ces chromosomes que l'on voit apparaître sous le microscope au mo- ment de la division cellulaire.
Ces chromosomes sont en nombre constant pour une même espèce et constitués par des molécules géantes, ou macromolécules, de nucléoprotéines.
Ces nucléoprotéines sont elles-mêmes constituées par l'association d'acides nucléiques et de protéines.
On voit donc le rôle fondamental que jouent les acides nucléiques dans l'organisation et la multi- plication de la cellule : ce sont des molécules douées de « continuité génétique ».
On sait depuis cinquante ans environ qu'il existe deux catégories fondamentales d'acides nucléiques, selon la nature du sucre (pentose) qui entre dans leur constitution : les acides ribonucléiques et les acides désoxyribonucléiques. Nous verrons que les chro-
mosomes ne c o n t i e n n e n t e n f a i t d'acide nucléique que de l'acide désoxyribonucléique (ADN) et que cet .
A D N préside à la transmission des caractères héréditaires.
Nous verrons aussi que la synthèse de la m a - tière v i v a n t e a lieu grâce à u n g r a n d n o m b r e d ' e n z y m e s ou catalyseurs biochimiques, lesquels s o n t synthétisés p a r l'intermédiaire des acides ribo- nucléiques (ARN), le t o u t organisé de façon fon- d a m e n t a l e p a r les acides désoxyribonucléiques.
Les acides nucléiques f u r e n t découverts en 1869 p a r Miescher qui appela d ' a b o r d « nucléine » u n e s u b s t a n c e isolée, à p a r t i r des n o y a u x cellulaires, le t e r m e « acide nucléique » a y a n t été i n t r o d u i t seule- m e n t en 1889 p a r A l t m a n . On s a v a i t depuis long- t e m p s q u e les n o y a u x cellulaires, et plus particuliè- r e m e n t les chromosomes, é t a i e n t riches en u n e s u b s t a n c e appelée « c h r o m a t i n e ». Le p r e m i e r effort p o u r isoler cette s u b s t a n c e et la caractériser est d û à Miescher, u n élève bâlois d u g r a n d s a v a n t a l l e m a n d Hoppe-Seyler. On voit donc que l'histoire des acides nucléiques a c o m m e n c é il y a environ u n siècle, sous l'inspiration de plusieurs s a v a n t s qui étaient à l'origine des physiologistes préoccupés p a r la n a t u r e chimique des substances d'origine naturelle, ou la c o n s t i t u t i o n chimique des organismes qu'ils v o y a i e n t évoluer sous leur microscope. Ainsi, la biochimie est née d u souci de rationaliser les sciences bio- logiques en d é t e r m i n a n t , d ' u n e p a r t , la c o n s t i t u t i o n de la m a t i è r e v i v a n t e et en classant les différents composés identifiés p a r m i les corps d o n t on connais- sait déjà la s t r u c t u r e , d ' a u t r e p a r t , en d é t e r m i n a n t l'évolution de ces m ê m e s corps au cours de la vie de la cellule.
Le c o m p t e r e n d u des expériences f o n d a m e n t a l e s réalisées p a r Miescher en 1869, d o n t il d e m a n d a i t alors à son m a î t r e Hoppe-Seyler la publication dans sa r e v u e Hoppe-Seyler Medizinisch-Chemische
Untersuchungen, comportait les résultats de ses efforts pour séparer le matériel nucléaire des autres constituants des cellules. Les cellules étaient traitées pendant plusieurs semaines avec des solutions acides diluées. L'hydrolysat était ensuite extrait avec de l'éther : une partie du matériel solide se rassem- blait à l'interface des deux liquides, entre l'eau et l'éther, tandis qu'une autre partie de ce matériel solide précipitait au fond de la phase aqueuse. Ce précipité, considéré par Miescher comme de la substance nucléaire pure, fut appelé par lui « nu- cléine » : ce matériel constituait ce que l'on devait appeler, vingt ans plus tard, « acide nucléique ».
Miescher attirait déjà l'attention sur quelques-unes des propriétés fondamentales des acides nucléiques, à savoir des propriétés acides plus considérables que les protéines, et surtout une teneur élevée en phosphore.
Ce brillant travail suscita la curiosité, mais aussi le scepticisme du maître vis-à-vis de son ancien élève et Hoppe-Seyler ne devait consentir à publier les travaux de Miescher qu'en 1871, après avoir vérifié lui-même dans son laboratoire tous les résul- tats qui s'y trouvaient énoncés.
La carrière des acides nucléiques devait se pour- suivre avec des fortunes diverses, beaucoup d'er- reurs, mais aussi beaucoup de succès. Comme le remarque Levene dans un traité qui fit autorité en 1931 et même jusqu'à nos jours, l'erreur a énor- mément contribué au progrès de nos connaissances, si bien que nous devons rendre hommage aussi bien à ceux qui se sont trompés qu'à ceux qui ont vu juste.
Une énumération de tous les travaux qui ont abouti à nos connaissances actuelles sur les acides nucléiques serait fastidieuse, aussi, nous nous bor-
nerons à citer ceux de ces travaux qui ont fait vraiment étape :
1869 : Miescher isole une « nucléine » à partir des noyaux des cellules du pus.
1869-71 : Hoppe-Seyler et ses collaborateurs confirment les travaux de Miescher et isolent des nucléines à partir d'autres cellules.
1874 : Miescher isole, à partir du sperme de saumon, une nucléine constituée par un sel d'acide nucléique et d'une substance basique qu'il appelle « protamine ».
Piccard isole la guanine et l'hypoxanthine, deux bases puriques, à partir d'un hydrolysat d'acide nucléique par l'acide chlorhydrique.
1889 : Altman introduit le terme « acides nucléiques » et décrit une méthode commode de préparation de ces substances.
1894 : Kossel et Neuman identifient la thymine.
1900 : Ascoli identifie l'uracile à partir de l'acide nucléique de levure.
1902-03 : Kossel et Steudel d'une part, Levene d'autre part, identifient la cytosine à partir de l'acide nucléique du thymus.
1909 : Grâce aux travaux de Hammarsten et de Levene et Jacobs, on sait que l'acide nucléique de levure contient les quatre bases, adénine, cytosine, guanine, uracile, de l'acide phosphorique et un sucre à 5 atomes de carbone (pentose) : le ribose.
1909-29 : Les travaux de Levene et al. montrent que l'acide nucléique du thymus contient les quatre bases : adénine, cytosine, guanine et thymine, de l'acide phosphorique et un autre pentose : le désoxyribose.
1924 : Feulgen met au point une réaction histo-chimique permettant de colorer sélectivement l'ADN des tissus.
1927 : Embden et Zimmerman isolent l'acide adénylique du muscle.
1929 : Lohman et Fiske et Subbarow isolent l'adénosine triphosphate.
1930 : La distinction fondamentale entre acide ribonu- cléique et acide désoxyribonucléique est bien établie.
Apparition de la théorie dite des « tétranucléotides » selon laquelle les acides nucléiques seraient constitués par l'enchaînement de quatre « nucléotides », comportant chacun : une base purique ou pyrimidique, un pentose et un groupement phosphoryle.
1933-40 : Brachet met au point son test à la ribonucléase qui permet de montrer, histo-chimiquement, la présence d'acides ribonucléiques dans de nombreux tissus.
1936-41 : Caspersson décrit sa méthode microspectrophoto- métrique quantitative qui lui permet de reconnaître la présence de grandes quantités de ribonucléotides dans les tissus en voie de prolifération rapide.
1940-50 : Kunitz cristallise les principaux enzymes nucléo- lytiques : la ribonucléase et la désoxyribonucléase, et décrit les propriétés fondamentales de ces enzymes.
1943-44 : Davidson et Waymouth, par des méthodes colo- rimétriques, dosent les acides nucléiques de nombreux tissus et montrent la richesse particulière du tissu em- bryonnaire.
1944 : Avery et al. isolent, à partir d'une première souche de pneumocoques, un ADN doué de propriétés trans- formantes vis-à-vis d'une deuxième souche et apportent ainsi une preuve supplémentaire en faveur du rôle fonda- mental de l'ADN dans la transmission des caractères héréditaires.
1947-50 : Chargaff et son école, par application de la chro- matographie sur papier, dosent avec précision la compo- sition en bases puriques et pyrimidiques des acides nucléiques, montrent la pluralité des acides nucléiques.
Réfutation de la théorie des tétranucléotides.
1948-49 : Synthèse de nombreux nucléotides dont l'adé- nosine triphosphate par Todd et son école.
1949-53 : Description de la chromatographie des acides nucléiques sur échangeurs d'ions par W. Cohn et al.
1952 : Markham et Smith mettent au point la chromato- graphie sur papier et l'électrophorèse des acides nucléiques, émettent une nouvelle hypothèse sur la structure de l'ARN de levure et apportent des preuves en faveur de la liaison internuclétique 3' -5'-phosphodiester.
1953 : Watson et Crick émettent une hypothèse fondamen- tale sur la structure en double hélice de l'ADN.
1955 : Grunberg-Manago et Ochoa obtiennent des poly- nucléotides biosynthétiques comparables aux ARN na- turels grâce à un enzyme d'Azotobacter : la polynucléotide phosphorylase.
Découverte des acides ribonucléiques solubles et de leur rôle dans la synthèse des protéines par Hoagland, Zamecnik et al.
1956 : Kornberg et ses collaborateurs obtiennent des poly- mères biosynthétiques du type ADN grâce à une poly- mérase d'Escherichia coli.
Fraenkel-Conrat et al., Schramm et al., ayant isolé l'ARN du virus de la mosaïque du tabac, démontrent que cet ARN suffit à lui seul pour propager la maladie.
1958 : Khorana et al. réalisent la synthèse totale de nom- breux polynucléotides du type ADN.
1960-61 : Découverte de l'ARN « messager » et de son rôle comme vecteur de l'information génétique par Gros, Jacob, Monod et al.
1961 : Nirenberg démontre que l'acide polyuridylique peut fonctionner comme informateur génétique dans un sys- tème acellulaire et diriger la synthèse d'un polypeptide : la polyphénylalanine.
1962 : L'ARN messager fonctionne comme un « code » génétique.
1962 : Synthèse in vitro par Chamberlin et Berg d'ARN grâce à une ARN-polymérase de E coli « sous la direction»
de l'ADN. L'ARN synthétisé par ce système a une compo- sition en bases copiée sur celle de l'ADN directeur.
1963-1965 : Déchiffrage du code génétique grâce à la synthèse de nombreux polymères biosynthétiques (tra- vaux de Crick, Grunberg-Manago, Lipmann, Michelson, Nirenberg, Ochoa...).
1965 : Holley et ses collaborateurs déterminent pour la première fois la structure primaire d'un acide nucléique : celle de l'ARN accepteur d'alanine de la levure.
CHAPITRE PREMIER
NOMENCLATURE ET ABRÉVIATIONS
Les acides nucléiques sont des molécules géantes répandues dans toutes les cellules vivantes. Ils sont formés par l'enchaînement d'unités plus simples ou nucléotides, comportant chacun une base purique ou pyrimidique, un sucre à 5 atomes de carbone (pen- tose) et un groupement phosphoryle. Le pentose peut être, selon le cas, le ribose (acides ribonucléi- ques ou ARN) ou du désoxyribose (acides désoxy- ribonucléiques ou ADN). La distinction entre acides ribonucléiques et acides désoxyribonucléiques tient principalement à la nature du pentose qui entre dans leur constitution, mais aussi à la nature des bases. Les ARN contiennent les 4 bases principales : adénine, guanine, cytosine et uracile, alors que les ADN renferment les 4 bases principales : adénine, guanine, cytosine et thymine.
D'après cette définition, on voit qu'un ARN est une macromolécule au sein de laquelle on pourrait isoler un enchaînement tel que celui représenté ci-après :
De même, on pourrait isoler, à partir d'un ADN, un enchaînement tel que celui représenté ci-dessous :
Les bases sont des bases puriques ou pyri- midiques, dont nous donnons les formules dans les pages qui suivent.
Le produit résultant de l'union d'une base et d ' un pentose est, selon la nomenclature générale
de la chimie organique, un oside, qui, dans le cas présent, est appelé nucléoside.
— Le produit obtenu par l'estérification d'un nucléoside par l'acide phosphorique est un nucléotide.
I. — Les différents types d'esters phosphoriques L'acide phosphorique, ou mieux l'ion phosphate, comporte 3 groupements OH ou hydroxyles libres, susceptibles d'être estérifiés :
L'estérification de l'acide phosphorique par les nucléosides qui sont des polyalcools n'est qu'un cas particulier de la réaction classique d'estérifi- cation des acides par les alcools, réaction qui aboutit à la formation d'esters.
On appelle phosphomonoester le produit obtenu par estérification d'un seul des hydroxyles de l'acide phosphorique, tel que :
Ainsi, l'acide adénylique du muscle ou adénosine monophosphate (AMP) est un phosphomonoester résultant de l'estérification de l'acide phosphorique (acide) par l'adénosine (polyalcool).
On appelle phosphodiester, le produit obtenu par estérification de 2 hydroxyles, tels que :
Tous les acides nucléiques sont des phospho- diester.
On appelle phosphotriester le produit obtenu par estérification des 3 hydroxyles libres, tels que :
Les phosphotriester n'ont pas encore été isolés dans la nature, mais ils peuvent facilement être synthétisés au laboratoire, ex. : le triphényl phos- phate :
II. — Bases puriques et bases pyrimidiques Les bases puriques ou pyrimidiques, entrant dans la constitution des acides nucléiques sont des bases organiques complexes dérivant de 2 noyaux fon- damentaux, la purine et la pyrimidine. Le plus simple de ces 2 noyaux, la pyrimidine est une base azotée comportant 2 atomes d'azote et 4 atomes de carbone, le tout formant un cycle hétérogène ou hétérocycle de 6 atomes. On se rendra compte de la complexité relative de ce noyau si l'on consi- dère successivement :
