Nucléotides
Vue d'ensemble

Structure des nucléotides

1. Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée ou nucléobase, responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour les ribonucléotides,
• désoxyribose pour les désoxyribonucléotides.

c. un ou plusieurs groupes phosphate, responsables de la charge négative de la molécule et impliqués dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

Remarque : les nucléosides sont des nucléotides sans groupe phosphate, composés uniquement d'une base azotée et d'un pentose ( sémantique).

2. Par ses propriétés, la base azotée détermine les règles d’appariement, mais aussi la stabilité, la conformation et la capacité des acides nucléiques à stocker et transmettre l’information génétique.

L'étude des nucléotides abordera plusieurs sujets traités dans des chapitres spécifiques.

Bases azotées	Nucléosides	Nucléosides monophosphates (NMP)	Nucléosides diphosphates (NDP)	Nucléosides triphosphates (NTP)
Base puriques	Nucléosides puriques	NMP puriques	NDP puriques	NTP puriques
Adénine	Adénosine	AMP	ADP	ATP
Guanine	Guanosine	GMP	GDP	GTP
Hypoxanthine	Inosine	IMP	IDP	ITP
Xanthine	Xanthosine	XMP	XDP	XTP
Bases pyrimidiques	Nucléosides pyrimidiques	NMP pyrimidiques	NDP pyrimidiques	NTP pyrimidiques
Cytosine	Cytidine	CMP	CDP	CTP
Uracile	Uridine	UMP	UDP	UTP
Thymine	Thymidine	TMP	TDP	TTP
Pseudouracile (uracile modifié)	Pseudouridine (Ψ)	ΨMP	-	-

Classification des nucléotides

La classification des nucléotides se fonde sur deux critères.

1. Les nucléotides sont classés selon la nature de leur base azotée en :

• nucléotides puriques, dérivés de l’adénine ou de la guanine,
• nucléotides pyrimidiques, dérivés de la cytosine, de l’uracile ou de la thymine.

2. La classification repose aussi sur le nombre de groupes phosphate liés au nucléoside :

• 

  les nucléosides monophosphate (NMP), possédant un seul groupe phosphate,
• les nucléosides diphosphate (NDP), possédant deux groupes phosphate,
• les nucléosides triphosphate (NTP), possédant trois groupes phosphate.

3. Les nucléotides peuvent également être classés selon la nature du pentose du nucléoside.

• Les ribonucléotides, contenant un ribose, participent à de nombreuses fonctions métaboliques, notamment comme constituants de l’ARN, transporteurs d’énergie (ATP, GTP) ou intermédiaires biosynthétiques.
• Les désoxyribonucléotides, contenant un désoxyribose, constituent les précurseurs de la synthèse de l’ADN.

Métabolisme des nucléotides

Le métabolisme des nucléotides comprend leur biosynthèse, leurs transformations métaboliques et leur dégradation.

Biosynthèse des nucléotides

1. La biosynthèse de novo occupe une place prépondérante, car elle permet la formation complète du squelette nucléotidique à partir de précurseurs métaboliques simples, sans nécessité d'un apport externe en bases azotées :

• des acides aminés, i.e. glutamine, aspartate et glycine,
• du bicarbonate $\ce{HCO3-}$,
• le 5-PRPP (5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate), un donneur de ribose-phosphate central dans l'assemblage des nucléotides puriques et pyrimidiques.

a. Cette autonomie métabolique est essentielle, notamment pour les cellules à forte activité proliférative.

b. Selon la nature de leur pentose et de leur base hétérocyclique azotée, ces voies conduisent notamment :

• à la biosynthèse de novo des ribonucléotides puriques monophosphates par la formation de l'IMP, i.e. AMP et GMP,
• à la biosynthèse de novo des ribonucléotides pyrimidiques monophosphate par la formation de l'UMP, i.e. UMP et CMP via UTP.

2. La biosynthèse des désoxyribonucléotides monophosphates s'effectue par réduction des ribonucléotides diphosphates (NDP).

Voies de sauvetage

En complément de la biosynthèse de novo, les voies de sauvetage, " salvage " en anglais, ou voies de récupération, constituent un mécanisme métabolique efficace permettant la régénération des nucléotides à partir de composés issus du catabolisme des acides nucléiques.

1. Ces voies :

• permettent de préserver les ressources énergétiques de la cellule, car elles contournent les étapes coûteuses de la synthèse de novo,
• sont cependant secondaires par rapport à la synthèse de novo.

2. Les voies de sauvetage des nucléotides se font à partir :

• des bases azotées,
• des nucléosides.

Transformations des nucléotides

Une fois formés, les nucléotides peuvent subir plusieurs transformations enzymatiques :

• les conversions des nucléotides monophosphates (NMP) en NDP et NTP,
• l'interconversion des nucléotides.

Catabolisme des nucléotides

La dégradation (catabolisme) débute par une voie commune conduisant à la libération de la base azotée et du pentose (ribose ou désoxyribose).

Le catabolisme se poursuit ensuite selon deux voies spécifiques :

• le catabolisme des pyrimidines,
• le catabolisme des purines.

Fonctions biologiques des nucléotides

Les nucléotides remplissent de nombreuses fonctions biologiques essentielles dans les cellules.

1. Les nucléotides sont les précurseurs des acides nucléiques, i.e. ADN et ARN.

• Ces polymères sont formés par des liaisons phosphodiester 3'-5' reliant des nucléosides monophosphate (agencement des bases dans les acides nucléiques).
• L’ordre des NMP dans la chaîne polynucléotidique détermine l’information génétique.

2. Les nucléotides agissent comme transporteurs et fournisseurs d’énergie cellulaire, principalement sous forme de nucléosides triphosphates comme l'ATP et le GTP… (bioénergétique).

Ils fournissent l’énergie nécessaire à de nombreux processus biologiques, notamment :

• la synthèse de nombreuses molécules, de la membrane cellulaire et des vésicules,
• les mouvements cellulaires et intracellulaires par les moteurs moléculaires,
• les divisions cellulaires…

3. Certains nucléotides interviennent dans la régulation allostérique d’enzymes métaboliques.

a. C’est notamment le cas :

• de l’ATP, de l’ADP et de l’AMP qui participent à la régulation de l’état énergétique cellulaire ( charge énergétique de la cellule).
• du CTP, produit final de la biosynthèse des pyrimidines, qui exerce un rétrocontrôle allostérique sur les enzymes de cette voie métabolique.

4. Les nucléotides sont des composants de nombreux cofacteurs impliqués dans les réactions enzymatiques, notamment le coenzyme A, FAD, FMN, NAD, NADP.

5. Les nucléotides peuvent intervenir comme intermédiaires métaboliques dans différentes voies enzymatiques, par exemple sous forme d’ADP ou de GDP.

6. Certains nucléotides fonctionnent comme seconds messagers dans les voies de signalisation cellulaire, en particulier l’AMPc et le GMPc, souvent associés aux voies impliquant les protéines G.

7. Les nucléotides servent de donneurs de groupements dans diverses modifications post-traductionnelles des protéines, notamment l’adénylation, la phosphorylation, l’uridylation et l’ADP-ribosylation.

8. Les nucléotides interviennent dans la conversion de certaines vitamines du groupe B, comme la niacine ou la riboflavine, en coenzymes actifs.

9. Les nucléotides activent certains substrats métaboliques en formant des intermédiaires nucléotidiques à haute énergie impliqués dans la biosynthèse de nombreuses molécules.

a. C’est notamment le cas des nucléotides-oses comme :

• des UDP-oses, comme l’UDP-glucose impliqué dans les réactions de glycosylation, de la glucurono-conjugaison et dans certaines étapes de la gluconéogenèse et dans l’interconversion entre oses,
• des GDP-oses qui participent à la biosynthèse des osides.

b. D’autres nucléotides activés interviennent dans la biosynthèse des phospholipides membranaires comme le CDP-DAG et le CDP-choline.

10. Les nucléotides servent de précurseurs à certains cofacteurs spécialisés, comme la tétrahydrobioptérine (BH₄), impliquée dans la synthèse de neurotransmetteurs par hydroxylation d’acides aminés aromatiques.

Acides nucléiques