Introduction à la biologie moléculaire

École Rockefeller1ère année2011/2012

M. HERASSE

I – Protéines et acides nucléiquesI – 1) Les protéinesI – 2) Les acides nucléiques

II – Le flux de l’information génétiqueADN -> ARN -> protéine

III – Divisions cellulaireIII – 1) mitoseIII – 2) différenciation et mort cellulaireIII – 3) méiose

Plan du cours

I

Protéines et acides nucléiques

Polymère d’acides aminésPrésentes dans toutes les cellules de l’organismeA la base de toutes les fonctions biologiquesTrès grande diversité

I - 1 - Les protéines

les acides aminés (AA)

20 acides aminés

propriétés variables en fonction du radical R

Alanine ALA A HArginine ARG R C+Asparagine ASN N PAspartate ASP D C-Cystéine CYS C PGlutamate GLU E C-Glutamine GLN Q PGlycine GLY G -Histidine HIS H P,C+Isoleucine ILE I HLeucine LEU L HLysine LYS K C+Méthionine MET M HPhénylalanine PHE F HProline PRO P HSérine SER S PThréonine THR T PTryptophane TRP W PTyrosine TYR Y PValine VAL V HSélénocystéine SEC U -Pyrrolysine PYL J

8 acides amin és essentiels

=> ne peuvent pas être fabriqués par notre organisme.

structure primaire :séquence

structure secondaire :motifs particuliers

structure tertiaire :forme globale

structure quaternaire :association de plusieurs molécules

Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4

Structure des protéines : 4 niveaux

Structure primaire : s équence

enchaînement linéaire d’AA spécifique définie par un gène donné

Ex : séquence de l'α-lactalbumine humaine :

MRFFVPLFLVGILFPAILAKQFTKCELSQLLKDIDGYGGIALPELICTMFHTSGYDTQAIVENNESTEYGLFQISNKLWCKSSQVPQSRNICDISCDKFLDDDITDDIMCAKKILDIKGIDYWLAHKALCTEKLEQWLCEKL

Structure secondaire

globulaires fibreuses

ex : la globine béta de ex : kératinel'hémoglobine

Structure tertiaire

Exemple clinique : Maladie de Creutzfeld Jakob

(A) Protéine normale(B) protéine prion PrP anormale

Structure quaternaire : association de molécules

ex : hémoglobine

4 chaînes = tétramère

holoprotéines : que des acides aminés

hétéroprotéines :AA + hème

ex: hémoglobine, cytochrome

AA + glucides : glycoprotéines ex: glycoprotéine P

AA + lipides : lipoprotéinesex: LDL

Composition des protéines

Exemple clinique : glycoprotéine P et résistance au x médicaments

A la membrane des cellules

Capable d’expulser des molécules des cellules

=> phénomène de multirésistance aux médicaments (multi-drug resistance) :

chimiothérapie, anti-VIH, immunosuppresseurs

Etudiée en pharmacogénomique

Exemple clinique : Lipoprotéine

Grands complexes de protéines et de lipidesTransport de lipides, hormones, vitamines, etc. dans l’organisme.La coque externe : couche de phospholipides, cholestérol et apolipoprotéines

fonction biologique liée à la forme

Changement de forme = Régulation (activation ou inactivation)

-> la liaison avec une autre molécule, clivage, etc.

Dénaturation = inactivation souvent irréversible-> chaleur, pH extrême, substances chimiques, etc

La chaleur est mortelle pour les organismes vivants puisqu'elle provoque la dénaturation de leurs protéines.

Fonction des protéines (1)

Exemple d ’activation par le clivage : L’insuline

coupure

coupure

A+B =insuline active

Exemple de d énaturation par la chaleur :

La coagulation du blanc d‘œufest irréversible : ne redevient pas liquide lorsqu'on le refroidit

Très grande diversité de fonctions biologiques

Fonction des protéines (2)

Protéines de structures

forme particulière de chaque celluleattachement des cellules les unes aux autresrésistance aux tensionsmouvements intracellulaires

=> tendons, ligaments, armature interne des cellules, toiles d'araignées, cornes, poils, plumes, fibres des caillots sanguins, tissus donnant de la résistance aux organes.

Exemple : Le collag ène

protéine la plus abondante de l'organisme.

=> grosses fibres très résistantes à la traction :apporte souplesse et résistance aux tissus.

Exemple clinique : le scorbut

carence en vitamine C = mauvaise synthèse du collagène :

=> fragilité des vaisseaux sanguins, des tendons, de la peau, etc

=> graves hémorragies

Protéines permettant le mouvement

Ex : la myosine

contraction des cellules musculaires

Transporteurs de substances dans le sang

Plusieurs substances chimiques sont transportées dans l'organisme par le sang en se combinant temporairement à une protéine.

Exemples :

- L'hémoglobine : transport de l'oxygène

- L'albumine sérique : transport des hormones et des acides gras libres

Exemple clinique : la drépanocytose

Transporteurs de substances à travers les membranes

De nombreuses substances chimiques traversent la membrane des cellules par l’intermédiaire de protéines

Ex : canaux Cl- de l’épithélium intestinalco-transporteur glucose/Na+ de l’intestin

Exemple clinique : le choléra (1)

Bactérie Vibrio cholerae => ouverture des canaux Cl-

=> mouvements d’eau massifs hors des cellules => diarrhée, déshydratation, perte de sels => mort

Exemple clinique : le choléra (2)

Thérapie de réhydratation: solution eau + glucose + sel. => utilisation du co-transporteur glucose/Na+ de l’intestin pour un couplage entre l’absorption de l’eau, du sel et du glucose

Hormones protéiques

messagers chimiques dans l’organisme : elles transmettent des informations d’une partie du corps àune autre.La plupart des hormones sont des protéines.

Ex : l'insuline

Identification des cellules :

Ex : protéines de membrane CMH (Complexe Majeur d‘Histocompatibilité)

Très nombreuses et très variables. => pas deux personnes avec les mêmes.

Protéines récepteurs au niveau des membranes

Alertent la cellule de la présence de certaines molécules dans leur environnement.

Ex : Récepteur à l’acétylcholine

contraction

Exemple clinique : myasth énie

Maladie auto-immune : intervention d’anticorps anti-Récepteur à l’acétylcholine (anticorps bloquants)

contractioncontraction

Rôle dans la d éfense contre les infections

Les anticorpsdes millions différentschacun peut reconnaître une molécule spécifique.

Exemple clinique : maladie auto -immune

auto-agressivité du système immunitaire vis à vis des propres constituants de l’organisme

5 à 10 % de la population générale

sclérose en plaques,diabète de type 1, lupus,polyarthrite rhumatoïde,maladie de Crohn, …

Protéines chaperons

Elles assurent le bon repliement des nouvelles protéines synthétisées.Ex : Les chaperonines

Exemple clinique : Le syndrome de Bardet-Biedl

Maladie héréditaire rare : obésité précoce, rétinopathie pigmentaire, polydactylie, troubles cognitifs et anomalies uro-génitales.

Un des gènes responsables est celui d’une chaperonine

Protéines de stockage

Protéines utilisée comme réserve d’acides aminés.

Ex : la caséine est la protéine du lait qui sert de source d’AA pour les bébé des mammifères.

Enzymes

=> Protéines qui déclenchent ou favorisent les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules.

Ex : la trypsinedégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang.

Exemple clinique : inflammation du pancréas

Dans la pancréatite et la mucoviscidose,

la trypsine étant mal évacuée, elle est la principale cause de la réaction inflammatoire du pancréas.

Fonction Exemple Rôle

Elément structural Collagène Apporte une force de tension dans les tissus conjonctifs

Mouvement myosine Actrice de la contraction musculaire

Transporteur sanguin Hémoglobine Transporte l’oxygène des poumons vers les différents tissus

Transporteur membranaire

Canaux Faire passer la barrière de la membrane àdifférentes substances

Hormone Insuline Contrôle la concentration du glucose sanguin

Identification des cellules Protéines du CMH Permet au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules et donc de ne pas les attaquer

Récepteur Récepteur àl’acétylcholine

Présent sur les cellules des muscles, il reçoit l’acétylcholine et induit la contraction musculaire.

Défense contre les infections

Anticorps Se lient à un agent infectieux et permettent sa destruction par les cellules et molécules du système immunitaire

Protéines chaperons Chaperonines Aident au bon repliement des protéines nouvellement synthétisées

Enzyme Trypsine Dégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang

L'ADN (Acide Désoxyribo Nucléique) = support de l'Information Génétique.

Les ARN (Acides Ribo Nucléiques) = les vecteurs de l'Information Génétique.

Fonctions :- Transmission du patrimoine génétique de génération en génération,- Contrôle de la fabrication des protéines.

I - 2 - Les acides nucléiques

sucre + groupement phosphate + base azotée.

5 différents selon la base : A (Adénine), T (Thymine) , G (guanine), C (Cytosine), U (Uracile)

P

Les nucléotides

Partie fixe : squelette sucre- P

Partie variable : la séquence de bases

Séquence : C G T A C T

Structure des acides nucléiques

Complémentarité des bases : A=T et C=G

Appariement de 2 chaînes

Orientation antiparallèle des brins

Formation d’une double hélice ADN

exclusivement dans le noyau de la cellulesous forme de chromosomesporte l’information génétique (les gènes)

ADN (Acides Désoxyribo Nucléiques)

chromosome dénaturé

chromosome condensé

chromatine totalement décondensée

squelette protéique

2 propriétés :

capable de se copier : réplication

détient dans l'ordre de la succession des nucléotides, la matrice de fabrication (synthèse) des protéines => flux d’information génétique

=> en prévision de la division cellulaire.

L’ADN est synthétisé par copie d’une matrices d’ADN déjà existantes.Réplication semi-conservative

Synthèse de l’ADN : réplication

Fabriqués après lecture de l’ADN : transcription

nombreuses familles d’ARN avec des rôles de régulation.

L’ARN messager transporte l'information génétique des molécules d'ADN du noyau au cytoplasme pour la synthèse des protéines

=> flux d’information génétique

ARNs (Acides Ribo Nucléiques)

ADN et ARN :

II

Le flux de l’information génétique

Dogme central = ADN -> ARN -> protéine

2 étapes :

étape nucléaire : transcription

étape cytoplasmique : traduction

Transformation de l’information génétique en protéine

la séquence d'ADN est reproduite dans une séquence d'ARN appelé messager (ARNm)

Même « langue » : l’enchaînement des nucléotides

Etape nucléaire : transcription

Processus d'amplification

l'ARN est produit très rapidement et en grande quantité-> Plusieurs ARN produits simultanément sur un même gène.-> Plusieurs gènes peuvent être transcrits simultanément.

Correspond à la synthèse des protéines

=> ensemble des processus qui permettent de synthétiser une protéine à partir d'un ARN messager.

Langues différentes : nucléotides / acides aminés

Etape cytoplasmique : traduction

Le code g énétique

=> règles de correspondance entre des triplets (codons) de nucléotides et des acides aminés

ARNm AUGCCCGUCAAGUUGCCGUGA

acideaminé

acideaminé

acideaminé

Caractéristiques du code g énétique

universelnon -chevauchantnon -ambigudégénéré (redondant)

NB : code génétique ≠ information génétique.

Tableaudu codegénétiqu

e

Machinerie de traduction : ribosomes

Ribosome

ARNm

Polypeptide

Modélisation 3D de la traduction

Processus d'amplification

Plusieurs ribosomes vont agir sur un mêmeARN m

Régulation du flux d ’information g énétique

ADNgène

transcription

ARNm

sortie du noyau

traduction

fonction protéique

maturation protéique

noyau

cytoplasme

Schéma récapitulatif

Cas particulier des rétrovirus type HIV

Information génétique contenue dans de l’ARN au lieu de l’ADN

Utilise une enzyme pour copier cet ARN en ADN : retrotranscription

L’ADN formé s’intègre dans l’ADN de la cellule

-> étape cible de médicaments antiviraux

Sortie des virus par bourgeonnement

1 Fixation du VIH sur des récepteurs de la cellule cible et pénétration de l'ARN viral dans la cellule

2 Rétrotranscription de l'ARN viral en ADN

34567

Intégration de l’ADN au génome de la cellule hôteTranscription de l’ADN étranger en ARN viralSynthèse des protéines virales Assemblage des particules virales

III

Divisions cellulaires

Cycle cellulaire : succession ordonnée d’événements qui permet à une cellule de dupliquer son matériel génétique puis de se diviser en 2 cellules « filles »identiques.

4 phases : Interphase (G1, S, G2) Mitose : M

III – 1 – Cycle cellulaire et mitose

Formation de chromosomes à 2 chromatides sœurs :Les 46 chromosomes sont dupliqués en 2 chromatidesidentiques, réunis au niveau du centromère.

Un seul centrom ère (!)

Interphase : duplication du matériel génétique (réplication)

6 étapes permettent de passer d’une cellule mère à 2 cellules filles identiques avec le même matériel génétique.

ProphasePrométaphaseMétaphaseAnaphaseTélophaseCytodiérèse

Mitose

noyau

cellule mère

cellule fille

cellule fille

Etapes de la mitose :

A - interphaseB et C - prophaseD - prométaphaseE - métaphaseF - anaphaseG - télophaseH - cytodiérèseI - 2 cellules en Interphase

Le contrôle de la division cellulaire

Contrôle des lésions de l’ADNContrôle de la réplication de l’ADNContrôle de la bonne séparation des chromosomesContrôle de la bonne division des cellules

Exemple clinique : cancer et protéine P53

Rôle dans le contrôle du cycle cellulaire à l’interphase.

=> Si lésions ADN alors blocage du cycleréquisision de la machinerie de réparation de l’ADN

ou induction du processus de mort cellulaire

Gène P53 muté => pas de contrôle

=> Prolifération cellulaire incontrôlée => cancer

Gène P53 = gène suppresseur de tumeur.

Résum é mitose

mitoseréplication de l’ADN

cellule mère46 chr1 chromatide

cellule mère46 chr2 chromatides

cellules filles46 chr1 chromatide

Différents types cellulaires.

=> différenciation

II – 2) différentiation et mort cellulaire

Renouvellement cellulaire et cellules souches:

Types de cellules souches :

Totipotentes=> œuf et cellules souches des premiers stades embryonnaires

Pluripotentes ou multipotentes => donnent différentes cellules d’un même tissu

Unipotentes=> donnent un seul type de cellule

Exemple de cellules souches pluripotentes :

les cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse=> donnent les cellules sanguines (globules rouges, globules blancs et plaquettes).

Exemple de cellules souches unipotentes :

les cellules satellites des fibres musculaires (myoblastes) => fusion et différenciation en grandes cellules musculaires à plusieurs noyaux.

Cycle cellulaire et cellules souches

cellules souches nécessaires pour renouveler les cellules trop différenciées d’un tissu.

Entre en différenciation

Reste cellule souche

La mort cellulaire :

La mort cellulaire intervient dans de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques.

3 types de mort cellulaire :

- la nécrose

- l’apoptose- la mort par autophagie. Morts programmées

Mort accidentelle

Caractéristiques des différentes types de mort cell ulaire :

Diplo ïdie et haplo ïdie

Organisme / cellules diploïdes

cellules haploïdes

cellule diploïde

II - 3) Division cellulaire et reproduction sexuée : la méiose

Méiose

Division cellulaire en 2 phases successives conduisant à la génération de 4 cellules filles haploïdes à partir d’une même cellule mère diploïde.

Première division de m éiose : division réductionnelle

4 étapes :Prophase 1Métaphase 1Anaphase 1Télophase 1

Etapes de la première division de m éiose

Chromosomes homologues

{

chromatides sœurs

Deuxième division de m éiose : division équationnelle

Caractéristiques de la mitose.Pas d’interphase entre les 2 divisions.

4 étapes :Prophase 2 (très réduite)Métaphase 2Anaphase 2Télophase 2 + Cytodiérèse

Etapes de la deuxièmedivision de m éiose

Méiose 1

Méiose 2