Notions de biologie Les molécules biologiques

L’UE Algorithmes pour la bioinformatique
Notions de biologie
URL : http://www2.lifl.fr/SEQUOIA/mri.php
Animée par l’équipe Sequoia (LIFL, INRIA)
Intervenants :
UE Algorithmes pour la bioinformatique,
Master recherche Informatique
Maude Pupin
Maude Pupin, Maître de Conférences
Laurent Noé, Maître de Conférences
Hélène Touzet, Directrice de Recherche CNRS
Modalités d’examen :
Examen écrit
Analyse d’articles scientifiques avec soutenance orale
Probablement 3 décembre
Notions de biologie
Qu’est-ce que la bioinformatique ?
Quelques liens utiles en bioinformatique
La Société Française de BioInformatique (SFBI)
L’approche in silico de la biologie
Un outil indispensable aux biologistes
Trois activités principales :
http://sfbi.impg.prd.fr/
Logiciels pour la biologie de l’Institut Pasteur
http://bioweb.pasteur.fr/
Acquisition et organisation des données biologiques
Conception de logiciels pour l’analyse, la comparaison et la
modélisation des données
Analyse des résultats produits par les logiciels
Le Pôle Bioinformatique Lyonnais (PBIL)
http://pbil.univ-lyon1.fr/pbil.html
http://npsa-pbil.ibcp.fr/
European Bioinformatics Institute (EBI)
http://www.ebi.ac.uk/
Un nouveau domaine de recherche
UE Bioinfo
Les outils de protéomique d’ExPASy
Logiciels souvent accessibles gratuitement via Internet
http://www.expasy.org/tools/
National Center for Biotechnology Information (NCBI)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Notions de biologie
3
Notions de biologie
Quelques conseils
Méfiez-vous des résultats donnés par les logiciels :
La qualité des résultats est parfois diminuée au profit de la
rapidité
Certains problèmes admettent un ensemble infini de possibilités
Beaucoup de logiciels ne font que de la prédiction
Les molécules biologiques
Ce n’est pas toujours la solution la meilleure qui est trouvée
Dire ce qu’on prévoit, par raisonnement, devoir arriver. (wiktionnaire)
Méfiez-vous des banques de données :
Les données se sont pas toujours fiables
La mise à jour n’est pas toujours récente
La réalité mathématique n’est pas la réalité biologique :
Les ordinateurs ne font pas de biologie, ils calculent … vite !
Notions de biologie
5
4
Les lipides
Les glucides
Ce sont les principaux constituants des membranes
cellulaires :
Ce sont le soutien de la vie :
Source d’énergie
Tête polaire
Stockage d’énergie
Queues non
polaires
Eléments de structure et de soutient des parois
cellulaires et tissus
Participation à l’adhésion entre cellules
Membrane
Protéines
Les molécules
Ex : glycoprotéines
Les molécules
Les protéines, un exemple : le collagène
Polymère linéaire composé de 20 unités de base :
Ex : cellulose (cellules végétales), peptidoglycanne (bactéries)
Notions de biologie
Les protéines, présentation
Ex : amidon (cellules végétales), glycogène (cellules animales)
Phospholipide
Notions de biologie
Ex : glucose, fructose, …
les acides aminés (aa)
Différentes propriétés physico-chimiques
>structure 1D (séquence, enchaînement des aa)
PPGPPGPPGITGARGLAGPPGPPGPPGPPG
Structure tertiaire
(forme de la molécule dans l’espace)
Taille moyenne : 400 aa
La plus longue connue : 8.797 aa
Taylor WR.
The classification of amino acid
conservation.
J Theor Biol. 1986;119(2):205-18.
RCSB PDB (http://www.rcsb.org/pdb/)
April 2000 Molecule of the Month
Notions de biologie
Les molécules
Notions de biologie
Les protéines, leurs fonctions (1/2)
Protéines de transport
Catalysent les réaction chimiques
Protéines régulatrices
Actine et myosine (contraction les muscles)
Tubuline dans les flagelles (propulsion cellulaire) et cils
Protéines de structure
Protéines nutritives ou de réserve
Protéines de défense
Les molécules
Hormones
Facteurs de transcription (modulent la synthèse des protéines)
Activateurs et répresseurs (modulent l’activité des protéines)
Protéines contractiles ou motrices
D’une cellule à une autre (ex : hémoglobine)
A travers la membrane cellulaire (ex : canaux, transport actif)
Notions de biologie
Les molécules
Les protéines, leurs fonctions (2/2)
La fonction des protéines est due à leur structure 3D
La formation d’un complexe moléculaire (assemblage de
plusieurs molécules) peut être nécessaire à l’acquisition
d’une fonction
Ce sont les outils de la cellule et bien plus encore :
Enzymes
Collagène (en bleu clair)
dans la membrane basale
Ex : collagène, kératine, fibroïne (soie, toile d’araignée)
Stockées dans les graines ou autre (ex : ovalbumine de l’œuf)
Anticorps, Immunoglobulines (système immunitaire)
Toxines bactériennes, venin, …
Notions de biologie
Les molécules
Les acides nucléiques : l’ADN (1/2)
Acide DésoxyriboNucléique
Polymère linéaire composé
de 4 unités de base :
C’est le support de l’information génétique
=
Génome
les nucléotides (nt, bp)
Propriété importante :
complémentarité des nt
Les acides nucléiques, l’ADN (2/2)
Appariement A T
Adénine = Thymine
Guanine Ξ Cytosine
Deux brin d’ADN s’apparient
Ensemble des gènes d’un individu
Un gène est une portion d’ADN
Un gène correspond à l’information pour fabriquer une protéine
L’intégralité du génome est dans toutes les cellules
La double hélice d’ADN :
Plan de construction et de fonctionnement des êtres vivants
Régulation de l’expression des gènes en fonction des besoins de
la cellule
La longueur de l’ADN varie selon les organismes
Appariement C G
Notions de biologie
Les molécules
Les acides nucléiques : l’ARN
Exemple pour une bactérie :
Autres
molécules
Adénine = Uracile
Guanine Ξ Cytosine
Peu se replier sur lui-même pour
acquérir une structure 3D
Nombreuses fonctions :
Synthèse des protéines et sa
régulation
Catalyse de réactions
Génome de certains virus
Notions de biologie
Sous forme simple brin
Les molécules
Constituants moléculaires d’une cellule
Acide RiboNucléique
Egalement composé de 4 nt :
Notions de biologie
Eau
Les molécules
Notions de biologie
Eau : 70 %
Protéines : 15 %
ARN : 6 %
ADN : 1%
Glucides : 3 %
Lipides : 2 %
Autres : 3 %
Les molécules
Le monde du vivant
Les cellules
3,5 millions d’espèces d’êtres vivants :
Les plus simples ont une cellule unique sans noyau,
l'ADN est nu dans le cytoplasme : Procaryotes.
D'autres, plus complexes, ont un noyau qui protège
l'ADN : Eucaryotes.
Dans ces deux groupes il existe des êtres vivants
possédant de la chlorophylle. Ils sont autotrophes grâce
à la photosynthèse.
Capables de synthétiser les molécules du vivant à partir de
composés minéraux et de l’énergie lumineuse
Notions de biologie
Les cellules
Exploitation des ressources terrestres
Une entité est vivante si …
molécules organiques
O2
Elle est capable de croître
Elle est capable de métabolisme
énergie
lumineuse
organismes
autotrophes
organismes
hétérotrophes
Elle présente une motricité
Elle se reproduit
Elle répond à des stimulus
énergie
chimique
CO2
H2O
Notions de biologie
Les cellules
Transformation des individus au fil des générations
Spéciation : création d’une nouvelle espèce
Notions de biologie
Les cellules
Organismes unicellulaires
Eubactéries
Archaebactéries
Spécialisation des activités
Noyau : une membrane isole
l’ADN
Organismes uni/pluricellulaires
Un génome ADN ou ARN
Une capsule composée de protéines
Eventuellement une enveloppe lipidique
Injection du matériel génétique dans la cellule hôte
Synthèse des protéines et duplication du génome à l’aide de la
machinerie de l’hôte
Lyse de l’hôte à cause de la libération des nouveaux virus
Plus petits organismes au monde
Les cellules
Cellule bactérienne
Les eucaryotes
Eu = vrai / Caryon = noyau
Compartiments cellulaires
L’ADN est dans le cytoplasme
de la cellule
Phage
lambda
Notions de biologie
Deux grandes catégories de cellules
Les cellules
Mode de reproduction
Une cellule ne peut survivre que dans un milieu stable
Les procaryotes
Pro = avant / Caryon = noyau
Pas de compartiment cellulaire
Le pouvoir de détecter des propriétés de son environnement, et
d'agir de façon adaptée.
Ils ne sont pas vivants !
Les espèces des organismes vivants évoluent.
Création d'autres entités similaires à soi-même
Cas particulier des virus
Ils contiennent des molécules carbonées.
Ils ont besoin à la fois de l'énergie et de la matière afin
de continuer à exister.
Ils sont composés au moins d'une cellule.
Ils se maintiennent grâce à l'homéostasie.
Motricité externe (locomotion) ou interne (circulation).
Notions de biologie
Les organismes vivants
Consommation, transformation et stockage d'énergie ou de
masse.
Unicell : les levures
(Saccharomyces cerevisiae),
…
Pluricell : Animaux et végétaux
Génome bactérien :
1 chromosome
ADN circulaire
Taille moyenne : 3 Mb (106)
0,5 Mb < génome < 9 Mb
Des plasmides
Petits ADN circulaires
Facultatifs (avantage sélectif)
Transmis par diffusion d’une
espèce à une autre
Membrane
plasmique
Cytoplasme
Chromosome
Plasmides
Flagelle
Notions de biologie
Les cellules
Notions de biologie
Les cellules
Cellule eucaryote
Noyau
Contient le génome
1 ou plusieurs chromosomes
ADN linéaire
Le dogme central
Organelles (ont un génome)
Mitochondrie (Respiration)
Production d’énergie à partir
de 02, H2O, molécules
organiques
Chloroplaste (Photosynthèse)
Production d’énergie à partir
de la lumière
Etc.
Notions de biologie
Les cellules
Le dogme central, principe
La réplication
ADN
Réplication
Gène
Transcription
ARNm
CDS
Duplication d’une double hélice pour en former deux
Recopie stricte d’un brin d’ADN pour former le brin
néo-synthétisé par complémentarité des nucléotides
Effectué par l’ADN polymérase
Parfois des erreurs se glissent : c’est l’évolution
Etape préliminaire à toute division cellulaire
Traduction
Protéine
Notions de biologie
Le dogme central
Notions de biologie
La transcription
La traduction
Le message ADN (gène) est transcrit en message ARN
(ARN messager, ARNm)
Recopie stricte par complémentarité des nucléotides
Effectué par l’ARN polymérase
Choix des gènes exprimés et amplification du message
Début de la transcription : promoteur
Deux séquences courtes (6-10 bp) avec erreurs reconnues par
un complexe protéique qui permet la fixation de l’ARN pol.
Précède de 25-30 bp le site d’initiation de la transcription (+1)
Fin de la transcription : terminateur
Forme une épingle à cheveux qui bloque l’ARN polymérase
Notions de biologie
Le dogme central
Le dogme central
L’ARNm est traduit en protéine
Basé sur le code génétique
Correspondance entre un codon et son aa par les ARN de
transfert (ARNt)
Effectué par les ribosomes (complexes moléculaires composés
de protéines et ARN ribosomiques -ARNr-)
Début de la traduction : RBS (Ribosome Binding Site)
Aussi appelé Shine-Dalgarno
Séquence courte avec erreurs reconnue par les ribosomes
Précède de environ 10 bp le codon d’initiation (ATG)
Fin de la traduction : codons de terminaison
Notions de biologie
Le dogme central
Le code génétique (1/2)
Lecture de l’ARNm par mots de 3 nt = les codons
Il est universel : partagé par tous les organismes
Il est dégénéré : 64 codons codent 20 acides aminés
Le code génétique (2/2)
Plusieurs codons codent le même acide aminé
Un codon code un acide aminé
Souvent seule la troisième position du codon diffère entre les
codons qui codent un même acide aminé
Des codons particuliers
1 codon d’initiation ATG qui code un aa aussi dans les protéines
3 codons de terminaison de la traduction (ne codent aucun aa)
Notions de biologie
Le dogme central
Notions de biologie
Les gènes procaryotes
Les gènes eucaryotes
Terminateur
CDS (Coding Sequence)
+1
Boite -35
TTGACA
Boite -10
TATAAT
Exon non codant (5’ et 3’ UTR)
Exon codant (CDS)
Intron
RBS
AGGAGGT
Promoteur
Gènes très longs
Gènes morcelés
« Peu » de gènes dans les génomes
Taille moyenne : 1 kb (1.000 bp)
Gènes compacts
Gènes courts
Régions 5’ et 3’ UTR courtes (UnTranslated Region = non traduites)
Nombreux gènes dans un génome
En moyenne, 80 % du génome est impliqué dans des CDS
Notions de biologie
Le dogme central
Plusieurs kb
Présence d’introns (séquences perdues lors de l’épissage)
Homme : seul 3 % du génome est impliqué dans des gènes
Notions de biologie
Une étape supplémentaire : l’épissage
introns
exon1
exon2
exon3
exon4
ARN pré-messager
Les réseaux cellulaires
Epissage
exon1
exon2
exon3 exon4
ARN messager
La séquence sur le génome n’est pas entièrement présente dans
l’ARNm mature
L’ADN est transcrit entièrement en ARN pré-messager
Puis, les introns sont enlevés (excisés) lors de l’épissage
Enfin, la traduction est effectuée
Possibilité d’épissage alternatif
Ce ne sont pas toujours les même exons qui sont choisis pour être dans
l’ARNm mature
Concerne environ 30% des gènes humain (estimation)
Notions de biologie
Le dogme central
Le dogme central
Le dogme central
Les réseaux cellulaires
Un exemple d’étude : l’opéron tryptophane
Ensemble des réactions et interactions qui ont lieu dans
les cellules :
Voies métaboliques
Voies de régulation
Suites de réactions chimiques catalysées par des enzymes
Interactions entre facteurs de transcription pour réguler la
synthèse des protéines et leur activité
Transmission d’un stimulus extérieur à la cellule vers le noyau
pour réguler l’expression des gènes
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Activation/répression de la transcription
Atténuation de la transcription
Inhibition du produit final (feedbak négatif)
Notions de biologie
L’opéron Trp
Produit à partir de l’acide chorismique
Nécessaire à la synthèse des protéines
Peu fréquent dans les protéines
Besoin d’une régulation fine
Régulation à différents niveaux
Voies de transduction du signal
Le tryptophane est un acide aminé
Les réseaux cellulaires
La voie de synthèse du tryptophane
Opéron
Unité de transcription composée de plusieurs gènes. Un seul
ARNm code plusieurs protéines
Souvent les protéines participent à une même voie cellulaire
trpE, trpD
Opéron Trp : les 5 gènes codant les protéines
impliquées dans la synthèse du tryptophane
E1
trpD
trpC
E2
trpC
trpA
E3
trpB
trpX : protéines
EX : enzymes
Source : Metacyc
http://metacyc.org/
Source : Metacyc
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Notions de biologie
Plusieurs niveaux de régulation possibles
Deux catégories de gènes
Gènes constitutifs :
1
3
Transcription
Traduction
Dégradation ARNm
Activation protéine
Dégradation protéine
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Gènes induits :
2
4
Indispensables au fonctionnement de toute cellule
Exprimés spontanément par les cellules
Réprimés par des facteurs de transcription ponctuellement
Liés à une fonction spécifique à un type cellulaire (organismes
pluricellulaires), à une période de développement donnée, ou en
réponse à un stimuli extérieur, …
Besoin d’un facteur de transcription pour activer leur expression
5
Les réseaux cellulaires
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Pourquoi réguler ses gènes ?
Toutes les cellules contiennent le génome complet de
l’organisme, mais :
Régulation de la synthèse du tryptophane (1/2)
Chaque cellule a des besoins spécifiques et différents
Elles doivent s’adapter aux changements du milieu extérieur
trpR
Économiser un processus coûteux
Inhibition de la synthèse de protéines liées à une activité inutile
Economie de matière première et d’énergie
Disponibilité de la machinerie cellulaire pour d’autres gènes
trpL
trpE
trpD
E1
acide
chorismique
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Régulation de la synthèse du tryptophane (2/2)
Action rapide : « Feedback » négatif
Action plus lente : répression par le métabolite terminal
Inhibition de l’enzyme 1 par le tryptophane
Evite la synthèse de trop de tryptophane ; Réversible rapidement
Le tryptophane réprime les gènes codants les enzymes de sa
voie de synthèse
TrpR : apo-répresseur ; Tryptophane : co-répresseur
Evite la synthèse d’enzymes inutiles ; Réversible à long terme
Autorégulation négative
TrpR bloque sa propre transcription en absence de tryptophane
Notions de biologie
Les réseaux cellulaires
Notions de biologie
trpC
E2
trpB
trpA
E3
tryptophane
Les réseaux cellulaires