LA SYNTHÈSE DES PROTÉINESLA SYNTHÈSE DES PROTÉINES

La transcription

Information : dans le noyau (sous forme d'ADN)

Synthèse des protéines : dans le cytoplasme (au niveau des ribosomes du reticulum endoplasmique)

L'ADN ne sort pas du noyau. L'information passe au cytoplasme sous forme d'une copie : l'ARN.

ARN = Acide RiboNucléique

ARN diffère de l'ADN:

Sucre des nucléotides = ribose et non désoxyribose comme dans l’ADN d’où le nom ARN, acide ribonucléique.

Désoxyribose Ribose

• La base azotée thymine (T) remplacée par Uracyl (U) (U peut s'apparier à A)

• Une seule chaîne de nucléotides

• Molécules plus courtes et plus instables que l'ADN

Certains segments de l’ARN peuvent s’apparier s’ils sont complémentaires

Première étape de la synthèse d'une protéine = copie du gène (ADN) en une molécule d'ARN = transcription

Ribonucléotides libres

Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager)

3’

5’

5’

3’

L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme

3’

5’

5’

5’ 3’

3’

Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase

L’enzyme assemble le brin d’ARN dans la direction 5’ – 3’ (comme l’ADN polymérase)Vitesse de la synthèse

~ 60 nucléotides / s

ARN polymérase se fixe à l’ADN au niveau d’une courte séquence d'ADN placée juste avant le début du gène

= promoteur

Le promoteur indique:

• Le début du gène à transcrire en ARNm (où l’ARN polymérase doit se fixer sur l’ADN)

• Quel brin d’ADN doit être transcrit

Le promoteur des eucaryotes contient une séquence de nucléotides faite uniquement des bases A et T.

TATA(A ou T)A(A ou T)A

Le plus souvent c’est la séquence TATAAATA

Cette séquence est appelée TATA box (elle est située sur le brin 5’-3’ à environ 25 nucléotides avant le début du gène).

Une protéine, appelée facteur de transcription, reconnaît la TATA box et s’y fixe. Il se forme alors un complexe protéique par l’ajout d’autres protéines dont l’ARN polymérase II qui peut alors commencer son travail de transcription du brin 3’-5’

Plusieurs ARN polymérases II peuvent « travailler » en même temps, les unes derrières les autres, sur le même brin d’ADN.

Il peut donc se former plusieurs copies d'ARN en même temps

Pouvez-vous expliquez ce qu’on voit sur cette illustration?

La traduction

La synthèse de la protéine (assemblage des acides aminés) se fait au niveau des ribosomes

Les ribosomes

Formés de deux sous-unités: une petite et une grande

(40 S et 60 S chez eucaryotes, 30 S et 50 S chez procaryotes).

Plus petites structures cellulaires : visibles au microscope électronique seulement.

Chaque unité formée d'un mélange d'ARN (= ARNr) et de protéines (~ 60% ARNr et 40% protéines).

Les sous-unités sont synthétisées dans le ou les nucléole(s) du noyau (les nucléoles sont des points plus sombres visibles au microscope dans le noyau) .

Cellule

Noyau

Nucléole

ARNr en brun; protéines en bleu

30S 50 S

Unité 50S :

Formée de deux ARNr et de 34 protéines

L'unité 30 S est formée de 1 ARNr et de 21 protéines

Unité 50S. Les protéines sont en jaune.

ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN). Ces gènes existent en des centaines de copies dans le génome.

Donc, certains gènes ne codent pas pour des protéines. C’est le cas de ces gènes qui servent à produire les ARNr

Pour synthétiser la protéine, il faut:

• ARNm = information (la recette)

• Ribosome = machine à assembler les acides aminés

• Acides aminés = pièces de construction

• ARNt (ARN de transfert) = molécules qui transportent les acides aminés du cytoplasme au ribosome où ils sont assemblés en protéine.

L'ARN de transfert (ARNt)

ARNt = brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour former une structure en 3D

Deux zones importantes sur l'ARNt :

Extrémité 3' (se termine par CCA) : peut se lier à un acide aminé

Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm

N.B. certains nucléotides sont exotiques (différents des 4 habituels). I, par exemple = "inosine" un dérivé de l'adénine. I peut s'apparier avec U, C ou A.

Chaque ARNt est caractérisé par son anticodon.

Un ARNt ne transporte pas n'importe quel acide aminé: ça dépend de l'anticodon

Ex.

ARNt AAA transporte toujours l'acide aminé PHE

ARNt GAU transporte toujours l'acide aminé LEU

L'acide aminé est attaché au bon ARNt par l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase

Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase. Chacune peut attacher un acide aminé particulier à un ARNt particulier.

Le site actif de l’enzyme reconnaît:

un acide aminé particulierET un anticodon particulier.

L’enzyme unit l’acide aminé à l’ARNt

Chaque ARNt est synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux de l'ADN (encore des gènes qui ne codent pas pour des protéines)

N.B.

• Un gène peut coder pour la synthèse d'une protéine

• Un gène peut coder pour la synthèse d'un ARNr ou ARNt (ces gènes existent en des milliers de copies dans le génome)

DONC, gène = brin d'ADN qui est copié en ARN

Mécanisme de la traduction

Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait, il s’attache d’abord à la petite unité. C’est à ce moment que la grosse unité vient se fixer. Donc, les deux unités ne s’assemblent que lorsque l’ARNm se fixe à la petite unité.

Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur l’ARNr au niveau du ribosome (un sur la zone appelée site P et l’autre sur la zone appelée site A).

Liaison codon-anticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome).

Chaque ARNt se fixe par son anticodon sur trois nucléotides de l’ARNm. Ces trois nucléotides de l’ARNm constituent ce qu’on appelle un codon.

Après leur fixation, les acides aminés qu’ils transportent sont reliés entre eux (le catalyseur est constitué d’une partie de l’ARN du ribosome et non d’une enzyme protéique).

L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG

Un autre ARNt se met en place

Le ribosome avance de trois unités

Le premier ARNt est retiré.

Vitesse de la synthèse:

• Chez E. coli ~ 5 AA / s

• Chez eucaryotes ~ 16 AA / s

Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet de bases) UAA, UAG ou UGA = codons STOP.

Lorsque le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme (facteur de terminaison) s'y fixe et détache l'ARNm du ribosome.

==> le ribosome se sépare en deux

Les deux unités se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la petite unité.

Ribosome

ARNm

Polypeptide

La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale.

Chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un codon de l'ARNm.

Chaque codon de l'ARNm correspond à un anti-codon spécifique de l'ARNt.

Chaque anti-codon correspond à un acide aminé spécifique.

DONC: chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un acide aminé.

Entrez une séquence d’ADN et voyez quelle protéine sera synthétisée

Le segment d’ADN

5’ ...C T A... 3’3’ ...G A T... 5’

code pour l’acide aminé Leucine (Leu)

Mais doit-on écrire que c’est 5’ C T A 3’ qui code pour Leu ou bien est-ce 3’ G A T 5’ ?

Par convention, c’est toujours le brin complémentaire au brin transcrit qui est indiqué comme brin d’ADN codant. Donc, dans ce cas, on dira que le brin codant (ou brin sens) est 5’ C T A 3’ et le brin non codant (ou non sens) est 3’ G A T 5’ . Sur ce site, par exemple, ou sur celui-ci, c’est cette convention qui est utilisée.

La vitesse de synthèse peut être augmentée:

Plusieurs copies d'ARNm sont synthétisées à partir du gène.

Un même ARNm peut se fixer à plusieurs ribosomes à la fois = polyribosome

ARNm peut s'accumuler dans la cellule sous forme inactive

Découverte du code

Code déchiffré entre 1961 et 1964

Expériences de Nirenberg et Khorana (Nobel 68)

DONC: UUU = PHE

Le code génétique

Le codon AUG (code pour MET) = codon d'initiation. Tous les gènes commencent par ce codon. La MET est souvent enlevée à la fin de la synthèse.

Par convention, le code génétique est toujours représenté en faisant correspondre les codons de l’ARNm aux acides aminés auxquels ils correspondent.

Entrez une séquence et voyez la protéine codée :

http://library.thinkquest.org/3564/dna2protein.html

Code = UNIVERSEL ie. c'est le même pour tous les êtres vivants sauf quelques rares exceptions:

Cette caractéristique permet le transfert de gènes d'une espèce à l'autre = génie génétique

• Introduction de gènes dans une bactérie

• Introduction de gènes dans un organisme pluricellulaire

Certains protistes : un seul codon STOP (UGA); les autres codent pour un acide aminé.

Les mitochondries ont leur propre ADN et leurs propres ribosomes qui sont plus petits (ressemblent à ceux des procaryotes). Il peut y avoir jusqu'à 6 codons différents (5 chez humains).

On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

Ex. production d'insuline humaine par une bactérie :

On extrait les plasmides de bactéries

Une enzyme de restriction ouvre les plasmides

On extrait ou on synthétise le gène à greffer et on le multiplie en de nombreux exemplaires.

On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme (ligase) fusionne les brins d'ADN

Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries

Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

Exemples: bactéries qui synthétisent:

Insuline

Facteurs de coagulation

Hormone de croissance

Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple)

Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature

ETC.

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires:

Végétaux:

Le gène est introduit dans une cellule du parenchyme ou méristématique.

Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning).

Animaux:

Le gène est introduit dans un ovule fécondé ou une cellule embryonnaire.

L'ovule est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

Plantes résistantes aux insectes.

Résistantes aux herbicides.

Résistantes au gel.

Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps.

Nouvelles saveurs.

Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple).

ETC.

Riz possédant des gènes lui permettant de synthétiser du bêta carotène, le précurseur de la vitamine A

Animaux à croissance plus rapide.

Animaux plus faibles en gras.

Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs).

Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple).

ETC.

DANGERS ?????

Pour la santé?

Pour l'environnement ?

Ces saumons ont le même âge. Celui du bas est un OGM

Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal.

Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???

On extrait une cellule ordinaire de la brebis A.A B

C

Clone de A

On extrait un ovule de la brebis B.

Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A.

L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C.

Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A.

Le cloning

Dolly 1997-2003

N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

Peut-être un jour ???

Les mutations

Mutation = modification de l'information génétique (ADN)

Une mutation peut être:

• Chromosomique = altération d'un chromosome complet

• Ponctuelle = anomalie dans la séquence des nucléotides

Cause des mutations:

Erreur lors de la séparation des chromosomes (mutations chromosomiques) à la division cellulaire

Erreur de réplication (erreur de copie non réparée)

Erreur causée par une altération de l'ADN par des agents extérieurs = agents mutagènes

• Causes physiques : radiations (UV, X, gamma)

• Causes chimiques : molécules agissant sur l'ADN

Goudron du tabac

Benzène

Aflatoxines de certaines moisissures

Radicaux libres

Types de mutations

• Substitutions

• Délétions

• Insertions

Substitution

Une paire de nucléotides remplacée par une autre.

Peut n'avoir aucun effet = mutation silencieuse

Ex. CCG (Gly) changé par CCA (Gly aussi)

http://library.thinkquest.org/3564/dna2protein.html

Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-Val-Asp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-Tyr-Pro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-Asp-Ala-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-Gly-Ala-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-Ala-Thr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-Phé-Arg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-Lys-Glu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-Val-Ala-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA)

Anémie falciforme = maladie génétique caractérisée par une hémoglobine anormale.

Anomalie dans la chaîne ß de l'hémoglobine : 6e acide aminé = VAL alors qu'il devrait être GLU

Quels codons codent pour VAL ?

Quels codons codent pour GLU ?

Code

GUU GUG GUC GUA

GAA GAG

Quelle mutation peut avoir changer Glu par Val?

GAA (CTT dans l’ADN) peut avoir été remplacé par GUA (CAT dans l’ADN)

OU

GAG (CTC dans l’ADN) peut avoir été remplacé par GUG (CAC dans l’ADN)

Peut entraîner la modification d'un acide aminé de la protéine.

• Parfois peu ou pas d'effet.

• Parfois diminue ou supprime l'efficacité de la protéine.

• Rarement confère une nouvelle propriété (enzyme plus efficace ou possédant de nouvelles propriétés catalytiques par exemple).

Dans certains cas un codon devient un codon STOP

Ex. AAG devient UAG (STOP)

==> arrêt de la synthèse avant la fin = mutation non sens

Délétions ou insertions

= addition ou délétion d'une ou plusieurs paires de bases.

Effet désastreux: tous les acides aminés sont changés SAUF si la modification fait intervenir un multiple de trois nucléotides.

= mutation décalage du cadre de lecture (frame shift)

http://library.thinkquest.org/3564/dna2protein.html

Rendez-vous au lien ci-dessous et voyez ce qui se produit si on enlève ou on ajoute un nucléotide à une séquence donnée.

La mutation ne devient héréditaire que si elle se transmet à la descendance, donc si elle survient dans un gamète ou une cellule formant des gamètes.

Généralement les mutations provoquent un dérèglement mortel de la cellule. Dans certains cas, c'est la reproduction de la cellule qui se dérègle = CANCER

Structure des gènes chez les eucaryotes

Chez les procaryotes : presque tout l'ADN code pour des protéines.

Chez les eucaryotes, seulement 3% de l'ADN code pour des protéines ou des ARN r ou t.

Le 97% restant = "junk" DNA (ou "garbage" DNA)

Il serait plus prudent de parler plutôt d'ADN non codant

Taille du génome en nombre de paires de bases

Nous savons depuis plus de 40 ans [Mirsky et Ris 1951, cités dans Cavalier-Smith 1985a] que la taille des génomes n'est pas en relation directe avec la complexité d'un organisme, ni avec le nombre de ses gènes. Par exemple, chez les eucaryotes unicellulaires, la taille des génomes varie de 9 Mb (levure Saccharomyces cerevisiae) à 700 000 Mb (amibe Amoeba dubia), soit un rapport de presque 80 000. Parmi les seuls amphibiens, la quantité d'ADN varie de 1 à 100; le crapaud Xenopus laevis possède un génome approximativement de la même taille que celui de l'homme (3400 Mb), 30 fois plus petit que celui de la salamandre Necturus maculosus (102 500 Mb) [Licht et Lowcock 1991]. A ce jour, chez les vertébrés, les plus petits génomes connus sont ceux des poissons actinoptérygiens tétraodontiformes (400 à 500 Mb) [Pizon et al. 1984], le plus grand celui du poisson dipneuste Protopterus aethiopicus (147 000 Mb) (fig. I.3) [pour revue, voir Cavalier-Smith 1985a,b, Olmo et al. 1989]. Ainsi, des organismes de degré de complexité similaires possèdent des génomes dont les tailles sont extrêmement différentes.

http://biomserv.univ-lyon1.fr/txtdoc/THESES/DURET/RTFToC1

Contrairement à la taille des génomes, le nombre de gènes codant pour des protéines semble être corrélé (grossièrement) avec le degré de complexité de l'organisme [Cavalier-Smith 1985b]. Parmi les eucaryotes, le nombre de gènes protéiques varie d'environ 7000 chez la levure [calculé à partir de Dujon et al. 1994], à 100 000 au maximum chez les mammifères [Fields et al. 1994]. Cette variation d'un facteur 15 du nombre de gènes protéiques est nettement insuffisante pour expliquer la variation d'un facteur 300 de la taille des génomes de ces organismes. Les autres unités fonctionnelles (gènes d'ARN structuraux, origines de réplication, sites de recombinaison, etc. - voir définitions plus loin) ne contribuent pas significativement à la taille du génome. En définitive, l'essentiel des variations dans la taille des génomes concerne de l'ADN dont on ne connaît pas la fonction. En d'autres termes, une portion substantielle du génome eucaryote ne contient pas d'information génétique. Chez les vertébrés, la quantité d'ADN ne codant pas pour des protéines (ADN non-codant) représente de 65 % (tétraodontiformes) à plus de 99,9 % du génome (Protopterus aethiopicus) [calculé à partir de Cavalier-Smith 1985b].

http://biomserv.univ-lyon1.fr/txtdoc/THESES/DURET/RTFToC1

ADN non codant situé:

• Entre les gènes codant

OU

• À l'intérieur même des gènes = introns

ADN non codant formé de toutes sortes de choses:

Pseudogènes

Transposons

Rétrotransposons

MicrosatellitesMinisatellites

Satellites À lire : Chromosome 8, l’intérêt personnel

Les introns

Introns = séquence non codantes situées à l'intérieur des gènes

Parties codantes = exons

90% de certains gènes = introns

Ex. gène du collagène contient 50 introns!

Taille des introns varie de 31 à 210 000 bases

Lors de la transcription, tout le gène (introns + exons) est copié en ARNm.

L'ARNm doit ensuite être modifié pour, entre autres, en enlever les introns = épissage de l'ARN.

Le record actuel est celui du gène DMD (dystrophine), responsable de la myopathie de Duchenne, qui s'étend chez l'homme sur 2,5 Mb, dont 99,3% d'introns.http://biomserv.univ-lyon1.fr/txtdoc/THESES/DURET/TheseD.html#RTFToC1

Chez les vertébrés, la longueur moyenne de l'unité de transcription est environ 5 à 10 kb, dont 75-80% d'introns [Cavalier-Smith 1985b, Smith 1988][9], mais les gènes de 100 à 200 kb contenant moins de 3% d'exon ne sont pas rares.

Hybridation ARNm épissé avec le gène correspondant d'ADN

L'ARNm subit aussi d'autres modifications:

• Ajout d'une forme modifiée de la guanosine à l'extrémité 5' = coiffe 5' (protège contre les enzymes hydrolytiques et sert de point d'attache au ribosome).

• Ajout, à l'autre extrémité (3') d'une chaîne poly-A (30 à 500 nucléotides A) (protège aussi contre enzymes hydrolytiques).

20% des maladies génétiques sont dues à des erreurs d'épissage.

Dans certains cas, un même gène peut être épissé de différentes façons pour donner différentes protéines.

Mais qu'est-ce qu'un gène ?????

Une protéine peut aussi être découpée, après sa synthèse, de différentes façons pour donner différentes protéines.

Il y aurait chez l'humain entre de 30000 et 60000 gènes, mais plus de 100 000 protéines différentes

Combien de gènes ?

Selon les équipes qui ont séquencé l'ensemble du génome humain il y aurait entre 30 000 et 40 000 gènes dans le génome humain.

Arabidopsis thaliana (une petite plante) contient 25 000 gènes.

C. elegans (un nématode) en contient 19 000

La drosophile, 13 600

C. elegans

Arabidopsis thaliana

À lire: Quelle est la taille du génome humain

FIN