TO U S PA R EILSTO U S D IFF ÉR EN TS

Q u’e lle est l’o rig ine de nos ressem blances ?

Q u’e lle est l’o rig ine de nos d ifférences ?

Thèm e : D es phénotypes à d iffé rents n iveaux d’organ isa tion du v ivant

D U G É N O T Y P E A U P H É N O T Y P E , R E L A T IO N S A V E C L ’E N V IR O N N E M E N T

C h p 1 : L e p hén o typ e dép en d des p ro té ines

P ro b lém atiq u e : S u r q u o i rep o se le p hén otyp e d e ch aq u e ind iv idu ?

IN T R O D U C T IO N

-Caractères sp écifiques

-Variations propres à chaque indiv idu

-P rogram m e g éné tique

- Influence des conditions de vie

C h ro m o so m esG èn es (u n ité d ’in fo . g én é tiq u e s à l’o rig in e d ’u n c a ra c tè re d o n n é )

Génotype

G èn es C arac tè res

Phénotype

-M orphologiques

-Anatom iques

-Physio log iques

-B iochim iques …

I – La réa lisa tion des phéno types

A – Le phéno type peu t se dé fin ir à d iffé ren tes éche lles

Exemple 1 : L'hypercholestérolémie familiale

Exemple 2 : La drépanocytose : cf. TP n°1

Exemple 3 (pour changer des maladies) : La couleur de la peau

La pigmentation de la peau résulte d'un seul pigment, la mélanine, présente dans les cellules de l'épiderme, les kératinocytes. La mélanine est d'abord produite par d'autres cellules, les mélanocytes puis exportée vers les kératinocytes.

Tous les individus ont un nombre identique de mélanocytes. Il n'y a pas de mélanocyte "blanc", "jaune" ou "noir", mais une couleur unique, brune, qui va du plus foncé quand la production de mélanine est élevée au plus clair quand elle est faible.

Plusieurs gènes sont impliqués dans la modulation de la couleur de la peau. Parmi ceux-ci, on trouve le gène OCA2 dont on connaît plusieurs allèles. Il est responsable de la synthèse d'une protéine appelée "P".

La protéine P est en quantité est sensiblement identique chez tous les humains quelle que soit la couleur de leur peau. Cette protéine a pour fonction d'abaisser l'acidité des mélanocytes. Lorsque l'acidité des mélanocytes est réduite, la synthèse de mélanine est forte.

Certains allèles du gène OCA2 codent une protéine P dont l'activité est faible, voire inexistante.

1) Schématiser la cascade d'évènements aboutissant au phénotype "Peau noire".2) Définissez les phénotypes moléculaire, cellulaire et macroscopique.

Phénotype « Peau noire »

Beaucoup de mélanine stockée dans les kératinocytes

Forte production de mélanine dans les mélanocytes

Protéine P active

Acidité des mélanocytes faible

Gène OCA2, allèle à l'origine d'une ...

Phénotype macroscopique →

Phénotype cellulaire

Phénotype moléculaire →

Pour tout caractère(hypercholestérolémie familiale, drépanocytose, couleur de la peau...)

3 niveaux de définition du phénotype :

* niveau macroscopique

* niveau cellulaire

* niveau moléculaire

Les trois niveaux découlent les uns des autres.

B – La réalisation du phénotype nécessite des protéines

Les protéines sont des molécules réalisant diverses fonctions :

- soutien- mouvement- transport- communication- défense- stockage...

Un type particulier de protéines, les enzymes, accompagnent certaines réactions biochimique et jouent un rôle majeur dans la réalisation du phénotype.

Protéine = enchaînement d'acides aminés (aa).

Il existe 20 aa ≠Pour une protéine de taille moyenne : 100 aa, il y a 20100 possibilités ≠ d'enchaîner les aa (= Ma ERROR)*

Grande diversité parmi les protéines

*Nb : 2076 = 7,56 X 1098 !!!

La diversité des protéines est à l'origine de la diversité des caractères phénotypiques.

Si une même protéine existe sous deux formes légèrement différentes, il en résulte deux phénotypes alternatifs pour le même caractère.

II- Des protéines essentielles : les enzymes

Un peu d'histoire des sciences ...

A l'aide du document fourni, indiquez les principales propriétés des enzymes.

A. Payen (1795-1871)

E. Fischer(1852-1919)

E. Büchner(1860-1917)

A – Les enzymes sont des biocatalyseurs

Enzymes = Protéines * Capables d'accélérer des réactions chimiques sans être elles-mêmes modifiées

= catalyseurs

* Extraites d'êtres vivants (végétaux, animaux ...)

= biocatalyseurs

* Agissent à faible concentration dans les cellules (elles sont « recyclées » à la fin de chaque réaction)

* Molécules fragiles, n'agissant que dans des conditions compatibles avec la vie

B – Les enzymes ont une double spécificité

Protocole ???

Hypothèses ???

fructose

maltose

galactose

Molécules hautement spécifiques :

- chaque enzyme ne catalyse qu'une réaction chimique particulière

- chaque enzyme n'agit que sur une substance particulière

Enzymes =

cf. doc 1 p 37

C – Le complexe enzyme-substrat

cf. TP3 (Navet)

Vmax

L'expérimentation montre que la vitesse de réaction augmente d'abord quand on augmente la quantité de substrat puis elle tend à rester constante malgré l'augmentation de la quantité de substrat.

Dans le cas de catalyses enzymatiques (et contrairement aux réactions chimiques classiques), la vitesse de réaction atteint une valeur maximale à partir d'une certaine concentration en substrat : c'est la Vmax.

Si le substrat se fixe à l'enzyme

Si la quantité d'enzyme est fixe

Si la vitesse de la réaction reste constante malgré l'augmentation de la quantité de substrat

Il manque des molécules d'enzyme

Elles sont toutes à saturation

Il y a une liaison temporaire entre la molécule de substrat et l'enzyme

Il y a une complémentarité de forme entre l'enzyme et son substrat

Spécificité d'action de l'enzyme

Spécificité enzyme/substrat

E + S → ES → EP → E + P

cf. TP3 p 32 du manuel

Le site actif est le lieu d'interaction entre l'enzyme et son substrat. Il comprend un site de reconnaissance du substrat et un site catalytique permettant la transformation du substrat en produit.

III- La forme d'une protéine enzymatique détermine son activité cf. TP4 (Navet 2)

p H- m e rc a p to é th a n o lC h a le u r, u r é e , p HM o d e d e d e s t ru c t i o n

L i a i s o n i o n i q u eP o n t s d i s u l fu reL i a i s o n h y d ro gè n e

L i a iso n s h y d ro g è n eL i a iso n s io n iq u e sIn t e ra c tio n s h y d ro p h o b e s

L i a iso n s h y d ro g è n eL i a iso n s io n iq u e sIn t e ra c tio n s h y d ro p h o b e sP o n ts d isu lfu re s

L i a iso n s h y d ro g è n eS t a b i l i s a t i o n

M o d ifie r l a s tru c tu re 3 D p e u t c o n d u ire à u n e m o d ific a t io n d u s ite a c tif e t à u n e p e rt e d e fo n c tio n n a lit é

M o d ifie r l a s é q u e n c e d ’u n e p ro t é in e p e u t c o n d u ire à u n e m o d ific a t io n d e s a u tre s n iv e a u x s tru c tu ra u x

I m p o r t a n c e

A sso c ia tio n d e p lu s ie u rs so u s -u n it é s p ro té iq u e s d e s tru c tu re t e rti a i re .

A sso c ia tio n d ’h é li c e s e t d e fe u ill e ts e n u n e su p e r- s tru c tu retrid im e n s io n n e ll e

e n ra iso n d e s li a iso n s p e p tid iq u e s :- H é li c e : e n ro u l e m e n t d e l a c h a î n e d ’ a a à l a m a n iè re d ’ u n re sso rt - F e u i lle ts : d isp o s itio n p a ra ll è l e d e s c h a în e s d ’a a , e n z i g z a g , l e s re p lis s ’e ffe c tu a n t a u n iv e a u d e s c a rb o n e s

O rd re d ’e n c h a în e m e n t d e s a c id e s a m in é s (= s é q u e n c e d e s a a )

D é f i n i t i o n

QuaternaireTert iaireS ec ondaireP rim aireS t ru c t u re

L a structure des p ro t éines

p H- m e rc a p to é th a n o lC h a le u r, u r é e , p HM o d e d e d e s t ru c t i o n

L i a i s o n i o n i q u eP o n t s d i s u l fu reL i a i s o n h y d ro gè n e

L i a iso n s h y d ro g è n eL i a iso n s io n iq u e sIn t e ra c tio n s h y d ro p h o b e s

L i a iso n s h y d ro g è n eL i a iso n s io n iq u e sIn t e ra c tio n s h y d ro p h o b e sP o n ts d isu lfu re s

L i a iso n s h y d ro g è n eS t a b i l i s a t i o n

M o d ifie r l a s tru c tu re 3 D p e u t c o n d u ire à u n e m o d ific a t io n d u s ite a c tif e t à u n e p e rt e d e fo n c tio n n a lit é

M o d ifie r l a s é q u e n c e d ’u n e p ro t é in e p e u t c o n d u ire à u n e m o d ific a t io n d e s a u tre s n iv e a u x s tru c tu ra u x

I m p o r t a n c e

A sso c ia tio n d e p lu s ie u rs so u s -u n it é s p ro té iq u e s d e s tru c tu re t e rti a i re .

A sso c ia tio n d ’h é li c e s e t d e fe u ill e ts e n u n e su p e r- s tru c tu retrid im e n s io n n e ll e

e n ra iso n d e s li a iso n s p e p tid iq u e s :- H é li c e : e n ro u l e m e n t d e l a c h a î n e d ’ a a à l a m a n iè re d ’ u n re sso rt - F e u i lle ts : d isp o s itio n p a ra ll è l e d e s c h a în e s d ’a a , e n z i g z a g , l e s re p lis s ’e ffe c tu a n t a u n iv e a u d e s c a rb o n e s

O rd re d ’e n c h a în e m e n t d e s a c id e s a m in é s (= s é q u e n c e d e s a a )

D é f i n i t i o n

QuaternaireTert iaireS ec ondaireP rim aireS t ru c t u re

L a structure des p ro t éines

Garantie par le programme génétique

Permet le rapprochement de certains aa entre eux

Conformation de la protéine active, fonctionnelle

La dénaturation des protéines

Ponts disulfures

A – La séquence d'acides aminés impose la forme de la protéine

Enzyme = Protéine

Structure primaire des protéines (= enchaînement d'aa unis entre eux par des liaisons peptidiques)

Forme spatiale de la protéine

(diverses liaisons et interactions entre les aa, assurant la stabilité)

B – Un changement de séquence modifie cette forme

Changement dans l'enchaînement des aa d'une protéine

Changement de forme spatiale de la protéine

(certaines liaisons et interactions entre les aa ne sont plus possibles)

Si la modification touche le site actif de l'enzyme cf. TP3 p 32 du manuel

Il peut conduire à la perte de sa capacité catalytique ou au contraire à son augmentation,

C – Les conditions du milieu modifient cette structure

Les enzymes agissent dans des conditions compatibles avec le mode de vie de l'organisme ou d'un organe en particulier.

Changement de forme spatiale de la protéine : on dit qu'elle est dénaturée

Certaines liaisons et interactions entre les aa ne sont plus possibles

Changement de forme → Changement de fonction → L'enzyme n'est plus active

cf. TP4 (Navet 2)

Augmentation de la température Changement du pH

Rupture des liaisons hydrogène Changement de l'ionisation des aa donc perturbation des liaisons ioniques

cf. TP4 (Navet 2)