c la synthese proteique - Poly

Chapitre C
LA SYNTHÈSE PROTÉIQUE
(ancien programme)
L’expression du matériel génétique
(Nouveau programme)
POLY-PREPAS AMIENS
M.LAIGNIER
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Le phénotype macroscopique des individus est sous la dépendance des protéines. Le
phénotype des individus est sous la dépendance d’une information génétique ayant pour
support moléculaire la macromolécule d’ADN (Acide DesoxyriboNucléique).
1. Les Chromosomes, l’ADN et l’Information Génétique.
La vie cellulaire comporte deux phases : une interphase et une phase de division, la mitose.
C’est en fonction de ces deux phases que l’information génétique prend différentes formes.
a) Le Noyau Interphasique (Document 1)
On y trouve la chromatine. Celle-ci est constituée de l’association de la molécule d’ADN avec
des protéines histones et non histones (les cellules procaryotes n’ont pas de protéines
histones donc le terme de chromatine est réservée aux cellules eucaryotes).
Les histones sont des protéines basiques se fixant sur l’ADN. On peut citer l’histone H1 qui a
pour rôle de compacter l’ADN. Elles forment le nucléosome (Document 2). L’enchaînement de
ces nucléosomes et des segments d’ADN forme une fibre nucléosomique ou nucléofilament
« en collier de perles » d’environ 10 nm de diamètre.
On distingue 2 types de chromatine :
- l’euchromatine peu condensée. L’euchromatine est la seule à pouvoir s’exprimer c'està-dire être transcrite (elle ne représente que 5% de l’ADN total dans les cellules
différenciées).
- l’hétérochromatine très condensée, celle-ci n’est pas transcrite.
La chromatine peut se condenser et former les chromosomes.
b) Le noyau mitotique, les chromosomes.
Au début de la division cellulaire, les nucléofilaments vont se sur-enrouler considérablement :
l’ADN est alors très condensé, ce qui se traduit par un raccourcissement et un épaississement
de la structure.
On obtient un chromosome constitué de 2 chromatides reliées au centromère. Une
chromatide correspond à une molécule d’ADN et une molécule d’ADN est constitué de deux
brins.
c) Les chromosomes, porteurs de l’information génétique (Document 3)
Après un prélévement sur l’individu, ses cellules (souvent des lymphocytes obtenus par
prélévement sanguin) sont mises en culture in vitro. La culture est alors mise en présence de
colchicine (un alcaloïde très toxique extrait de plantes appelées colchiques) qui bloque les
cellules en métaphase de la mitose (phase de condensation maximale des chromosomes).
Les cellules en mitose sont récoltées, on les fait gonfler par une incubation en milieu
hypotonique (l’eau a tendance à rentrer dans la cellule). On les met en présence d’un fixateur
et on étale la suspension cellulaire fixée sur une lame de verre, en vue de l’observation au
microscope. Cette préparation est ensuite colorée. La coloration la plus classique est la
coloration au Giemsa. Puis on réalise une microphotographie.
On la découpe afin de classer les chromosomes en fonction de leurs tailles décroissantes et
en fonction de la position de leur centromère. On obtient ainsi un caryotype. Ce dernier est
une représentation photographique ou dessinée des chromosomes métaphasiques d’un
individu, regroupées par paires d’homologues (même taille, même forme, même répartition
des bandes chromosomiques).
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Chaque espèce Eucaryote possède un nombre caractéristique de chromosomes. La cellule
humaine possède 46 chromosomes ou 23 paires de chromosomes.
Un homme possède 22 paires de chromosomes homologues appelées AUTOSOMES et une
paire de chromosomes sexuels notés X et Y (appelés aussi GONOSOMES ou
HÉTÉROCHROMOSOMES).
Une femme possède 22 paires de chromosomes homologues et une paire de chromosomes
sexuels XX.
La formule chromosomique pour l’homme est 44 + XY et celle de la femme est 44 + XX.
Sur les chromosomes sont positionnés les gènes (Document 4). Sur ce mode de
représentation, la localisation des gènes (appelée locus au sigulier, loci au pluriel) est indiqué
sur un chromosome formé d’une seule chromatide. La place de chaque locus peut être
précisée par sa distance au centromère. Les chromosomes portent de nombreux gènes.
Un gène est une portion d’ADN codant une protéine donnée et qui occupe un emplacement
précis sur le chromosome, c’est le locus. Chaque gène occupe un locus précis. Celui-ci est
toujours le même chez les individus d’une même espèce.
Les chromosomes homologues portent les mêmes gènes mais ils ne portent pas
forcément la même information allélique. Un allèle est une version d’un gène, une
variante donnée d’une séquence d’ADN au sein d’une espèce. Tous les allèles d’une même
séquence d’ADN occupent le même locus sur un même chromosome.
d) Structure chimique de l’ADN
La structure primaire détermine la conformation d’une protéine. Cette structure primaire
(enchaînement linéaire d’AA) est programmée par l’information génétique.
Les gènes se composent d’ADN, une macromolécule appartenant à la classe de composés
appelés acides nucléiques.
Les Nucléotides
Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Chaque nucléotide se compose de 3
parties (Document 5) : une base azotée liée à un pentose lui-même uni à un groupement
phosphate.
L’association du sucre et d’une base azotée est appelée nucléoside.
Il existe 2 familles de bases azotées : les purines et les pyrimidines (Document 5).
Les pyrimidines sont composées d’un cycle formé de 4 atomes de Carbone (C) et de 2
atomes d’Azote (N). L’appelation baze azotée vient du fait, qu’en solution, l’azote du cycle a
tendance à se lier aux protons de la solution.
Les membres de la famille des pyrimidines sont la cytosine (C), la thymine (T) et l’Uracile
(U).
Les purines sont composées d’un double cycle contenant 5 atomes de Carbone et 4 atomes
d’Azote. Les purines sont l’Adénine (A) et la Guanine (G).
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La thymine ne se retrouve que dans l’ADN et l’uracile dans l’ARN.
A ces bases azotées est fixé un ose à 5 atomes de carbone. Il s’agit d’un pentose :
- pour l’ADN, le désoxyribose C5H10O4 ;
- pour l’ARN, le ribose C5H10O5.
Un nucléotide contient également un groupement phosphate attaché au 5ème atome de
carbone du pentose.
Il existe de nombreux nucléotides ayant des fonctions différentes : transport de protons
(NAD : Nicotinamide Adénine Dinucléotide), stockage d’énergie (ATP) (Document 6).
Un enchaînement de plusieurs nucléotides est appelé polynucléotide.
Les polynucléotides (Document 5)
Dans un polynucléotide, les monomères (étant ici des nucléotides) se lient par des liaisons
covalentes appelés liaisons phosphodiester. Ces liaisons unissent le phosphate d’un
nucléotide avec le pentose d’un nucléotide suivant.
On voit apparaître la répétition de la séquence suivante :
PENTOSE – PHOSPHATE – PENTOSE – PHOSPHATE - …
Tout le long de ce squelette viennent s’ajouter les bases azotées. La séquence des bases
azotées le long d’un polynucléotide est unique à chaque gène. Comme les gènes
comprennent des centaines de nucléotides, le nombre de séquences possibles est illimité.
Le polynucléotide universel du monde vivant est l’ADN.
La double hélice (Document 7)
L’acide désoxyribonucléique (ADN) est une macromolécule que l’on retrouve dans toutes les
cellules vivantes à l’exception des cellules anucléées commes les hématies. L’ADN est le
support de l’information génétique car il constitue le génome (correspondant à l’ensemble
des gènes d’un organisme) des êtres vivants. L’ADN détermine également la synthèse des
protéines (voir plus loin).
L’ADN est un polynucléotide.
C’est à Cambridge qu’a été établie la structure en double hélice de l’ADN grâce à la technique
de la diffraction des rayons X. Cette structure fut établie en 1953 par Watson et Crick (Prix
Nobel en 1962). Ils s’appuyèrent sur un fait établi : pour une espèce donnée les quantités de
A et de T sont sensiblement égales ainsi que pour les quantités C et G. On parle de règle de
Chargaff ou règle de complémentarité des bases azotées.
L’ADN est composé de deux brins desoxyribonucléotidiques formant une double hélice. On
constate que l’adénine est complémentaire de la thymine et la guanine est complémentaire
de la cytosine. Il y a 2 liaisons hydrogène entre A et T et 3 entre C et G.
Pour un brin d’ADN possèdant 20 nucléotides, nous pouvons retrouver la séquence du brin
complémentaire et retrouver la double séquence de la double hélice :
5’ ATTGCCTATGCCAATTGCCG 3’
3’ TAACGGATACGGTTAACGGC 5’
On constate que la molécule d’ADN est orientée et les chaînes sont antiparallèles. Comme
une molécule d’ADN est double brin, on dit qu’elle est bicaténaire.
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Les 4 bases azotées entrant dans la composition des nucléotides (A,T,C,G) sont les
« lettres » de l’alphabet génétique et c’est l’ordre de ces bases de l’ADN qui donne les
informations génétiques nécessaires à la synthèse des protéines. Chaque séquence de 3
bases azotées sur un brin d’ADN appelée triplet peut être considérée comme un « mot »
désignant un acide aminé spécifique.
Comment l’information contenue sur un brin d’ADN sous forme d’une chaîne de
désoxyribonucléotides peut-elle être transposée en une chaîne d’AA aboutissant à la
formation des protéines ?
2. Le Passage ADN-ARN messager : la Transcription.
a) La transcription ou lecture du gène dans le noyau.
L’ADN est présent dans le noyau des cellules eucaryotes. Nous avons vu que les polypeptides
sont fabriqués par les ribosomes du cytoplasme. L’ADN a donc besoin d’un messager. C’est
l’ARN (Acide Ribonucléique) qui remplit cette fonction et en particulier l’ARNm (ARN
messager). Ce dernier permet le passage de l’information génétique d’un compartiment vers
l’autre.
Molécule
ADN
ARN
Nature
de
la molécule
Acide
Nucléique =
Acide
Desoxyribonucléique
Acide
Nucléique =
Acide Ribonucléique
Structure
Double chaîne
de nucléotides
= bicaténaire
Simple chaîne
de nucléotides
=
monocaténaire
Bases
Azotées
Sucre
Désoxyribose
Ribose
A, T, C, G
A, U, C, G
(U
=
Uracile)
Durée
Vie
de
Localisation
Longue
noyau,
mitochondrie,
chloroplaste
(eucaryote)
Temporaire
(labile)
noyau
(nucléole),
mitochondrie,
chloroplaste,
cytoplasme
(eucaryote)
Tableau de Comparaison ADN / ARN
Le Document 9 montre que l’ADN et l’ARN sont complémentaires. On constate que l’ARN est
complémentaire d’un seul des 2 brins d’ADN. Il est complémentaire du brin transcrit qui sert
de matrice. L’autre brin est le brin codant.
ADN
5’-3’ => brin codant, brin non transcrit.
3’-5’ => brin non codant, brin transcrit, brin matrice, brin modèle, brin informatif.
La lecture de l’ADN se fait dans le sens 3’-5’ et la synthèse dans le sens 5’-3’. C’est une
réaction catalysée par une enzyme appelée ARN polymérase (Document 8).
Sur l’ADN, des séquences de nucléotides spécifiques marquent les sites d’initiation et de
terminaison là où commence et finit la transcription. Ces bornes et les centaines ou milliers
de nucléotides entre ces bornes constituent l’unité de transcription (Document 10).
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Chez les Eucaryotes, cette unité de transcription forme un seul gène et l’ARNm qui en
découle code pour une seule protéine.
Chez les Procaryotes, une unité de transcription peut comporter plusieurs gènes dont les
protéines en résultant ont des fonctions reliées.
Les Bactéries possèdent un seul type d’ARN polymérase qui permet la synthèse de l’ARNm.
Par contre, les Eucaryotes possèdent 3 types d’ARN polymérase :
-l’ARN polymérase de type I permet la synthèse de l’ARN ribosomal (ARNr);
-l’ARN polymérase de type II permet la synthèse de l’ARN messager (ARNm);
-l’ARN polymérase de type III permet la synthèse de l’ARN de transfert (ARNt) ou certains
ARNr.
La transcription comprend 3 étapes : (document 8)
- La liaison de l’ARN polymérase et l’initiation : une enzyme, l’ARN polymérase ou
transcriptase ouvre la double hélice d’ADN et se fixe en amont du gène. Un seul des
brins de l’ADN est informatif, toujours le même pour un gène donné.
- l’élongation de l’ARN : l’ARN polymérase se déplace de 3’ vers 5’. Des ribonucléotides
complémentaires viennent se placer en face du brin transcrit. La croissance de l’ARN se
fait donc de 5’ vers 3’ (30 nucléotides par seconde).
- la terminaison de la transcription : à l’extrémité du gène, la transcription est terminée.
Les deux brins de l’ADN se réassocient. L’ARN est, du point de vue de la succession
des bases azotées, la copie conforme du brin non transcrit, à une différence près,
l’uracile remplace la thymine.
Après la transcription a lieu, chez les Eucaryotes, la maturation post-transcriptionnelle de
l’ARN messager.
Le schéma théorique : 1 gène de structure donne un ARN messager qui lui donne un
polypeptide ne se trouve que chez les Procaryotes. On parle de gènes linéaires.
Chez les Eucaryotes, les gènes sont morcelés, discontinus, en mosaïque : ils sont constitués
de séquences nucléotidiques codantes (exons) et non codantes (introns). Toutes seront
transcrites et on obtiendra un ARN pré messager (ARN immature, ARN non fonctionnel) ou
transcript primaire) mais seuls les exons seront traduits, les introns seront dégradés dans le
noyau (excision).
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Ce processus qui aboutit à la formation de l’ARN messager mature est appelée ÉPISSAGE.
On parle d’épissage alternatif car certains exons peuvent ou non être retenus dans l’ARN
messager définitif.
Une séquence de 3 bases sur l’ADN est appelée TRIPLET mais la séquence de 3 bases
correspondantes sur l’ARNm est appelée CODON. Ce nom indique que ce sont les séquences
de bases de l’ARNm qui déterminent quels AA sont utilisés pour la synthèse des protéines.
Nous utiliserons le code génétique pour passer d’une séquence de ribonucléotides à une
séquence d’AA.
b) Le Code Génétique (Document 11)
La traduction d’une séquence nucléotidique d’un gène en séquence d’AA d’une protéine
s’effectue selon un ensemble de règles qui furent déchiffrées au début des années 1960 et
qui constituent le code génétique. En 1966, le code génétique est totalement décrypté par les
expériences de Nirenberg et Khorama.
La lecture du message s’effectue par groupe de 3 bases azotées successives (codons).
Chacun de ces codons désignent un AA.
Les 4 bases azotées (A, U, C, G) groupées par 3 permettent 43 = 64 possibilités différentes
pour désigner l’un des 20 AA utilisé.
Plusieurs triplets peuvent correspondre au même AA, on dit que le code génétique est
redondant ou dénégéré.
Certains triplets n’ont pas de traduction en termes d’AA. Ils sont nommés codons non-sens
ou codons Stop (UAA, UAG, UGA).
D’autre part le code génétique est quasi-universel : le langage est quasi-identique chez tous
les êtres vivants.
Il existe des exceptions : par exemple chez la Paramécie (Eucaryote unicellulaire), le code
génétique est différent. Il existe également des différences au niveau de l’ADN des
mitochondries et des chloroplastes.
Cette universalité permet l’expression de gènes d’une espèce à l’autre (c’est la transgenèse).
Par exemple, les Bactéries peuvent fabriquer de grandes quantités de protéines humaines
(ex : l’insuline).
De plus, le code génétique est non chevauchant et sans blanc : un codon n’appartient jamais
à 2 codons successifs et il n’y a jamais de nucléotides isolés intercalés entre 2 codons.
Le code génétique n’est pas ambigu, il est univoque : à un codon correspond un acide aminé.
L’ARNm construit, quitte le noyau cellulaire par un pore de la membrane nucléaire et pénètre
dans le cytoplasme où il porte le message nécessaire pour synthétiser la protéine spécifique.
Il est à noter que 2 autres types d’ARN sont synthétisés dans le noyau à partir de l’ADN : il
s’agit de l’ARN de transfert (ARNt) et l’ARN ribosomal (ARNr). Ces 2 types d’ARN sont
essentiels lors de la traduction du message.
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3. La traduction.
La traduction correspond à la transformation du message contenu dans l’ARNm en une chaîne
polypeptidique. Les acteurs de la protéosynthèse sont les suivants : ARNm, ARNt, ARNr,
acides aminés, enzymes et énergie.
a) Les Ribosomes (ARNr) (ribosome=grain de Palade car les ribosomes ont été
découverts par Palade)
Les ARN ribosomaux (ou ribosomiaux) sont transcrits à partir de certains gènes de fonction
présents dans le nucléole. Ils se combinent à des protéines pour former 2 types de sousunités, une petite et une grosse qui s’assemblent au moment de la traduction. Ces risobomes
présentent 2 sites de liaison pour les ARNt : les sites A (aminoacyl-ARNt) et P (peptidylARNt). Ces ribosomes contiennent l’enzyme majeure de la synthèse protéique à savoir la
peptidyl-transférase qui réalise la liaison peptidique entre deux acides aminés.
b) Les ARN de transfert (ARNt) (Document 12)
L’anticodon est une séquence spécifique de 3 bases azotées qui constitue le complément du
codon d’ARNm déterminant l’AA porté par cette molécule d’ARNt.
Les molécules d’ARNt résultent de la transcription de l’ADN et donc comme l’ARNm, l’ARNt
doit sortir du noyau pour rejoindre le cytoplasme.
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Chaque molécule d’ARNt peut servir plusieurs fois. Il se lie à l’AA, dépose cet AA au niveau du
ribosome, quitte le ribosome et fixe un nouvel AA dans le cytoplasme.
Une molécule d’ARNt est composée d’un seul brin d’ARN de 80 nucléotides environ. Ce brin
se replie sur lui-même pour former une molécule pourvue d’une structure secondaire (on lui
attribue l’aspect d’une feuille de trèfle).
Certaines parties du brin d’ARNt forment des liaisons hydrogène avec des bases
complémentaires situées dans d’autres régions. L’ARNt présente des portions bicaténaires
mais c’est une molécule monocaténaire. La molécule d’ARNt possède une structure trilobée,
tordue et pliée en forme de L.
L’extrémité 3’ de l’ARNt possède le site de liaison de l’AA.
Comment se fait la liaison codon-anticodon ?
c) Les aminoacyl-ARNt-synthétases.
Les ARNt s’associent à un des 20 AA par l’intermédiaire d’une des 20 enzymes aminoacylARNt-synthétases spécifiques d’un AA. Cette fixation des AA sont des phénomènes
nécessitant de l’énergie, ici l’ATP.
Il existe autant d’enzymes différentes que d’AA différents.
La traduction peut être divisée en 3 parties (Document 13).
d) Initiation de la synthèse.
Elle commence toujours au niveau d’un codon AUG (méthionine) de l’ARNm. Ce codon
d’initiation ou codon « initiateur » détermine la mise en place :
- d’un ribosome qui s’assemble à partir de ses 2 sous-unités jusque là indépendantes,
- de l’ARNt méthionine se liant par son anticodon au codon AUG. Le ribosome possède
alors deux sites fonctionnels : le site P où est installé l’ARNt méthionine lié au codon
AUG et le site A au niveau duquel est situé le codon suivant de l’ARNm.
e) Elongation de la chaîne.
La mise en place sur le codon présent au site A, d’un nouvel ARNt-AA est suivie :
- de la libération de l’ARNt fixé au site P qui se décroche de son AA ;
- de la création d’une liaison peptidique entre les 2 AA présents dans le ribosome. Du
GTP (Guanosine Tri Phosphate) est nécessaire pour créer la liaison peptidique ;
- du déplacement relatif du ribosome par rapport à l’ARNm qui permet la libération du
site A. Ce déplacement nécessite un facteur G (translocase) et de l’énergie sous forme
de GTP.
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A mesure qu’il est lu, l’ARNm avance sur le ribosome. Ainsi le début de l’ARNm finit par
dépasser du 1er ribosome et il peut s’attacher successivement à plusieurs autres ribosomes
qui liront son message simultanément. Un tel complexe formé de multiples ribosomes et d’un
ARNm est appelé polysome ou polyribosome (Document 14).
La dernière étape de la traduction est :
f) Terminaison de la synthèse.
C’est l’arrivée au niveau du site A d’un codon STOP (UAA ou UAG ou UGA) qui interrompt la
synthèse en déclenchant la dissociation du complexe ARNm-ribosome-ARNt-polypeptide :
- les sous-unités du ribosome se séparent ;
- la chaîne polypeptidique est libérée et la méthionine, permier AA incorporé, est
détachée de cette chaîne (cette étape n’est pas obligatoire car la méthionine peut,
dans certains cas, rester sur la chaîne polypeptidique).
Remarques :
- Si le ribosome est libre dans le cytoplasme, le peptide assemblé reste dans le
cytoplasme (protéine cytosolique). Ce peptide peut entrer dans le noyau par des pores
nucléaires (ex : histones).
- Si le peptide a été assemblé par des ribosomes de la membrane extérieure du RER, il
pénétre dans sa lumière et subit des modifications (protéines sécrétoires).
- Chaque molécule d’ARN messager gouverne la synthèse simultanée de 10 à 20
molécules polypeptidiques identiques.
4. Transport et Emballage des Protéines (Document 15)
La synthèse protéique s’effectue au niveau des ribosomes présents sur le REG, grâce à
l’information parvenue du noyau via les ARNm. Les polypeptides sont ensuite déversés dans
les cavités du réticulum endoplasmique. Certains subissent la glycosylation à savoir la
formation de glycoprotéines et de glycolipides présents à la surface des cellules. Ils sont
ensuite englobés dans des vésicules de transition qui se rendent jusqu’à l’appareil de Golgi.
Les vésicules de transition fusionnent avec les membranes de l’appareil de Golgi. Les
polypeptides sont ensuite modifiés à l’intérieur du Golgi.
Certains groupes sucres sont retirés, d’autres sont ajoutés et, dans quelques cas, des
groupes phosphates sont ajoutés. On appelle ces événements la maturation des polypeptides
aboutissant à des protéines. Les protéines sont ensuite triées, puis accumulées dans des
vésicules de sécrétion qui se détachent du Golgi et migrent vers la membrane plasmique.
Ces vésicules libèrent leur contenu à l’extérieur de la cellule par exocytose. Les protéines
destinées à l’exportation hors de la cellule sont par exemple des hormones (insuline,
glucagon), des immunoglobulines, des enzymes extracellulaires. D’autres sont expédiés vers
les lysosomes.
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Conclusion :
Les protéines, ainsi synthétisées, participent à la réalisation des phénotypes cellulaire et
moléculaire.
En dirigeant la synthèse des protéines, les gènes jouent un rôle fondamental dans la
réalisation du phénotype. Cependant, un caractère phénotypique dépend en partie de
facteurs externes (voir chapitre D).
On peut achever ce chapitre par un schéma-bilan.
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