Chap 3 - L\'expression de l\'info génétique La synthèse des protéines PDF

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Cours sur L'expression de l'info génétique La synthèse des protéines...

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Chapitre 3 : L'expression de l'information génétique : La synthèse des protéines L'expression de l'information génétique se manifeste par la synthèse de protéines. Ces molécules jouent un rôle essentiel dans le rôle des cellules et donc des organismes. Elles sont synthétisées dans la cellule à partir d'acides aminés libres provenant notamment de la digestion des animaux. L'ordre dans lequel les acides aminés sont assemblés pour former une protéine est imposée par l'info contenu dans l'ADN. La nature et la séquence des acides aminés qui constitue une protéine sont codés par la séquence nucléotidique d'un gêne. I- Une correspondance entre ADN et protéines A- Caractéristiques structurales et fonctionnelles 1. Structure des protéines Les protéines sont constitués d'un enchaînement d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. L'ordre de succession des acides aminés constitue la séquence. Une protéine est donc une molécule codée par sa séquence en acide aminé. La séquence détermine la forme de la protéine et donc ses propriétés. 2. Fonctions des protéines Les protéines sont très diversifiées et remplissent de nombreuses fonctions dans l'organisme. *Des protéines de structure qui participent à la composition des cellules et des tissus (kératine..). *Des protéines enzymatiques qui sont capable d’accélérer des réactions chimiques du métabolisme. Elles sont indispensables à la vie. *Des protéines hormonales qui jouent le rôle de messager physique entre les organes. *Des protéines transporteurs comme l'hémoglobine B- Mise en évidence de la relation gène/protéine 1. Expérience De Beadle et Tatum (relation entre un gène et une protéine enzymatique) Milieu min & Acide Milieu min & Indole

Milieu minimum

anthramilique

Milieu min & tryptophane

Sauvage

+

+

+

+

Mutant 1

+

+

-

+

Mutant 2

-

+

-

+

Mutant 3

-

-

-

+

L'expérience utilise un champignon filamenteux qui s'appelle Neurospora crassa. Ce champignon est cultivable sur un milieu nutritif appelé milieu minimum. Il se développe alors par des nombreux filaments mycéliens. Des souches mutantes sont incapable de synthétiser certaines molécules organiques essentielles. Ces molécules doivent alors être ajouté au milieu pour que ces souches puissent se développer. L'expérience utilise une souche sauvage donc non mutée capable de synthétiser le tryptophane, un acide aminé indispensable pour se développement de ce champignon. Et trois souches mutantes mutées chacune pour un gène différent incapable de synthétiser le tryptophane. La synthèse du tryptophane se fait en trois étapes nécessitant chacune une enzyme. Les

différentes souches sont cultivées sur le milieu minimum et sur des milieux contenant différents précurseurs du tryptophane. Les cultures réalisées sur milieu minimum et tryptophane servent de témoins montrant que toutes les souches peuvent se développer. La souche sauvage se développe dans tous les milieux, elle est donc capable de synthétiser le tryptophane c'est à dire qu'elle réalise toutes les étapes de la chaîne de synthèses du tryptophane. Si elle réalise toutes les étapes cela signifie que les enzymes catalysant ses étapes sont actives. Elles possèdent donc les enzymes E1, E2 et E3 actives. Par contre chacun des mutants est incapable de se développer sur le milieu minimum. Cela montre qu'ils sont incapable de synthétiser du tryptophane et donc l'une des réactions de la chaîne de biosynthèse n'est pas réalisée. On peut en déduire que l'enzyme nécessaire à cette réaction est déficiente. La souche mutante 1 pousse dans tous les milieux sauf le milieu minimum. Elle peut donc synthétiser du tryptophane si on lui fournit de l'acide antranilique. Elle peut donc réaliser les réactions 2 et 3 mais pas la réaction 1. On en déduit que E1 est inactif et que les enzymes E2 et E3 sont actifs. Dans la souche 2, l'enzyme E2 est inactive, les enzymes E1 et E3 sont actives. Dans la souche mutante 3, l'enzyme E3 est inactive. La souche sauvage ne possède aucun gène muté et présente bien toutes les enzymes fonctionnelles. La souche présentant un gène muté et une enzyme E1 non fonctionnel. On peut en déduire qu'il existe une relation entre le gène et l'enzyme. La fonctionnalité d'une enzyme semble donc être directement liée à un gène précis. On peut donc supposer qu'il existe une relation directe entre un gène et une protéine. Cette expérience a contribuer à montrer qu'un gène détient le plan de fabrication d'une protéine. 2. Mise en évidence de la relation gène/protéine par une expérience de transgénèse a. Transgénèse du gène de la GFP sur des bactéries (doc 2 p 1) La GFP est une protéine fluorescente produite par certaines méduses. Si l'on transfert une certaine portion de l'ADN de ces méduses dans des bactéries, celles ci deviennent fluorescentes. Cela signifie que les bactéries produisent de la GFP qu'elles ne produisaient pas avant la transgénèse. L'information nécessaire à cette synthèse a donc été apporter par l'ADN de la méduse. Il existe donc une relation directe entre le gène transféré et la protéine produite.

b. La correspondance gène-protéine : conséquence d'une modification de la séquence nucléotidique sur la séquence d'aa (doc 3 p 1) Des chercheurs ont pu modifier la séquence du gène de la GFP. Une thymine est remplacée par une cytosine. La protéine produite par les cellules possédant ce gène modifié est responsable d'une fluorescence bleue.

L'observation de la séquence de la protéine montre qu'elle diffère uniquement par un seul acide aminé de la GFP. Cela montre qu'il existe une relation entre la séquence en acide aminé d'une protéine et la séquence en nucléotide du gène qui l'a code. La succession des nucléotides du gène est responsable des enchaînements des acides aminés de la protéine. C- L'information génétique de l'ADN dirige la synthèse des protéines Tout ce qui est nécessaire à l'organisme est déterminé par les gènes. Un gène est une portion d'ADN gouvernant la synthèse d'une protéine particulière. Le gène porte donc l'information nécessaire pour qu'une cellule produise un enchaînement d'acides aminés précis afin de former une protéine. L'information génétique de l'ADN est donc organisée en unité fonctionnelle donc les gènes qui codent chacun pour un polypeptide particulier et contrôle ainsi un caractère héréditaire. Chaque gène est caractérisé par sa séquence et son locus. On appelle expression de l'information génétique l'ensemble des mécanisme aboutissant à la synthèse d'un polypeptide à partir de l'information contenu dans le gène. Un gène code pour une protéine. II- Une relation indirecte entre ADN et protéine A- Un transfert nécessaire de l'information génétique 1. Localisation de la synthèse des protéines et nécessité d'un intermédiaire Afin de repérer le processus de synthèse des protéines au sein des cellules, il suffit de cultiver des cellules dans un milieu contenant des acides aminés radioactifs et de réaliser ensuite une autoradiographie. Ces acides aminés radioactifs sont incorporés aux protéines au cours de synthèse ce qui permet de localiser ce processus. L'observation de l'autoradiographie montre que la radioactivité est localisé au niveau du cytoplasme et plus précisément au niveau du REG. Le lieu d'incorporation des aa aux protéines c'est à dire la synthèse de protéines a donc lieu dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, l'ADN est situé dans le noyau et ne le quitte pas. Cette information génétique est utilisée pour produire des protéines qui sont synthétisées dans le cytoplasme. Il existe un intermédiaire qui transfert l'information génétique du noyau vers le cytoplasme. 2. Mise en évidence d'un intermédiaire mobile: l'ARN messager (doc 5&6) Lorsqu'on cultive une cellule pendant 15 minutes sur un milieu contenant un précurseur radioactif de l'ARN, on observe que la radioactivité est localisé dans le noyau. On peut en déduire que l'ARN est synthétisé dans le noyau. Si on laisse cette cellule pendant une heure sur un milieu non radioactif après les 15 minutes en présence de précurseur radioactif, on constate que la radioactivité est donc l'ARN est situé dans le cytoplasme. L'ARN radioactif synthétisé dans le noyau s'est déplacé vers le cytoplasme en passant par les pores nucléaires. On peut supposer qu'il intervient dans le transfert de l'information génétique du noyau vers le cytoplasme où sont synthétisées les protéines. La courbe permet de suivre la vitesse d'incorporation des acides aminés suite à l'introduction dans le milieu d'ARN. La vitesse d'incorporation des aa permet de repérer le processus de synthèse des protéines. On observe que la quantité d'ARN diminue rapidement après l'ajout dans le milieu alors que la quantité d'aa incorporés à des protéines augmente. Cette incorporation s'arrête lorsqu'il n'y a plus d'ARN. On observe donc une corrélation entre la quantité d'ARN et la vitesse d'incorporation des aa. Cette vitesse est maximale pendant les 5 premières minutes quand la quantité d'ARN est importante puis elle diminue au fur et à mesure que la quantité d'ARN diminue. On peut donc en conclure que l'ARN est nécessaire à l'assemblage des aa en protéines c'est à dire à la

synthèse protéique. Ce document permet également de constater que les ARN ont une durée de vie très courte. L'ARN apporte dans le cytoplasme l'information détenue par l'ADN pour diriger l'assemblage des acides aminés. C'est un vecteur de l'information génétique. Il transmet un message et est ainsi qualifié ARN messager. 3. Caractéristiques et rôles de l'ARN a. Structure de l'ARN (doc 7) L'ARN est comme l'ADN, un acide nucléique, polymère de nucléotides. Il présente néanmoins quelques différences avec la molécule d'ADN. – L'ARN est monocaténaire c'est-à-dire formé d'une seul chaîne polynucléotidique – Les nucléotides présentent 2 différences avec l'ADN: le sucre est le ribose et l'Uracile – La molécule d'ARN est beaucoup plus courte que l'ADN – L'ARN a une durée de vie très courte contrairement à l'ADN La chaîne d'ARN est constituée d'A, G, U, C appelés ribonucléotides. Comme l'ADN, l'ARN est une molécule codée par sa chaîne de nucléotides. b. Rôle de l'ARNm dans la synthèse des protéines L'ADN dirige la synthèse des protéines en assurant la copie du gène à exprimer appelé ARNm. Compte tenu de la similitude existant entre ADN et ARN, le système de codage de l'ARNm a les mêmes caractéristiques que celui de l'ADN. On passe d'une molécule codée par une séquence de bases à une autre molécule codée par une séquence de bases. Le système de correspondance est donc simple et s'effectue par complémentarité de bases. c. Les autres molécules d'ARN mises en jeu Deux autres catégories d'ARN sont mises en jeu dans la synthèse des protéines : • Tout d'abord les ARNr synthétisés dans le noyau à partir de gènes situés dans le nucléole. Ils sont très abondant (75 à 80 %). Ils forment en s'associant à des protéines les sous-unités ribosomales qui s'associent pour constituer les ribosomes lors de la synthèse protéique. • Les ARNt qui sont synthétisés dans le noyau. Ils forment une petite chaîne torsadée et constituent environ 15% des ARN. Ils assurent le transport des acides aminés jusqu'au lieu de synthèse de la protéine.

B- Le système de correspondance entre ARN et protéines : Le code génétique 1. Nécessité d'un code génétique : relation gène/ polypeptide ARNm CODE GENETIQUE polypeptide Séq de nucléotides ------------------------------> séq d'aa A, U, G, C

20 aa

Le gène grâce à l'ARNm caractérise par sa séquence nucléotidique gouverne la synthèse d'un polypeptide

caractérisé par sa séquence d'acides aminés. L'ordre dans lequel s'enchaînent les nucléotides du gène doit donc déterminé l'ordre dans lequel sont associés les aa du polypeptide. Il existe donc un système de correspondance entre la séquence des nucléotides de l'ARN et la séquences des acides aminés du polypeptide s'appelle le code génétique. 2. Mécanisme de la correspondance entre ARN et protéines (doc 10 p 5) Différentes possibilités on été envisagées pour établir le code génétique. * Une base code pour un aa. Dans ce cas, il ne pourrit y avoir que 4 aa codés, ce qui est impossible car il y en a 20. * Le code double : 2 bases code pour un aa, il y aura alors 16 aa codés. Insuffisant * Il faut pour codé les 20 aa, un code triple c'est-à-dire 3 bases codant pour un aa. Le code génétique est le système de correspondance entre différents triplets de nucléotides de l'ARNm appelé codon et les aa. Un codon code pour un aa. 3. Utilisation du code génétique (doc 11 p 5) Par convention, on code le code génétique sous forme d'un tableau qui présente les 64 codons et leurs significations. On peut à partir du code génétique : • Prévoir la séquence d'un polypeptide à partir de la séquence nucléotidique de l'ADN et de l'ARN. Si la séquence d'ARN est fournit il faut grouper les nucléotides par 3 et chercher dans le tableau l'aa correspondant. Il faut établir la séquence de l'ARN puis procéder comme précédemment. 4. Les caractéristiques du code génétique •

Universalité à quelques exceptions près. Cela permet les expériences de transgenèse. La formation génétique porté par l'information génétique d'une espèce peut s'exprimer dans le cytoplasme de n'importe quelle autre espèce. Ceci laisse supposer une origine commune à tous les êtres vivants.

•

Plusieurs codons codent pour plusieurs aa, il est donc redondant. Il existe 64 codons différents pour 20 aa. Ces codons sont dit synonymes.

•

Un codon code pour un aa et un seul. Ce code génétique est univoque ou non ambiguë.

•

Le code génétique est non chevauchant. Les codons successifs sont bien distinct les un des autres. Un même nucléotide n'appartient pas à deux codons consécutifs.

• Codon STOP: UAA, UAG, UGA III- Mécanisme de la synthèse des protéines La synthèse des protéines s'effectue en deux phases: •

La transcription dans le nucléoplasme du noyau, c'est-à-dire la synthèse d'ARNm par transcription du gène. C'est la copie de l'information codée par l'ARN en une information identique codée sous forme d'ARNm. L'ARN passe ensuite dans le cytoplasme au travers des pores nucléaires.

•

La traduction dans le cytoplasme au niveau des des ribosomes c'est-à-dire la synthèse des protéines par la traduction de l'ARNm. Les aa sont assemblés en polypeptide dans l'ordre imposé par l'information véhiculé par l'ARNm.

A- La transcription dans le noyau La synthèse d'ARN à partir d'un gène nécessite l'action d'une enzyme: l'ARNp. Elle reconnaît sur l'ADN

un signal constitué de séquences particulières; le promoteur qui indique où commence le gène a transcrire et quel brin transcrire. En effet un seul des brins d'ADN est informatif et c'est toujours le même pour un gène donné. Ce brin est appelé le brin transcrit. Il sert de matrice à l'ARNm. L'autre brin est le brin non transcrit. 1. Mécanisme de la transcription (doc 13 p 6) L'ARNp se fixe sur la molécule d'ADN au début du gène et ouvre la double hélice par rupture des liaisons H entre les bases. Les ribonucléotides libres dans le cytoplasme viennent s'apparier avec les nucléotides du brin transcrit par complémentarité de bases. L'ARNp assure la polymérisation c'est-à-dire la formation de liaisons entre les ribonucléotides appariés. Le déplacement progressif de l'ARNp le long du gène assure l'élongation progressive de la molécule d'ARNm. Au fur et à mesure de son élongation la chaîne d'ARNm se détache de l'ADN et les deux brins d'ADN se réassocient. A l'extrémité du gène, l'ARNp et la molécule d'ARNm se séparent de l'ADN marquant la fin de la transcription. Au fur et à mesure de sa progression, l'ARNp permet la synthèse d'une molécule d'ARNm complémentaire du brin transcrit de l'ADN. Compte tenu de la complémentarité des bases entre les deux brins d'ADN, l'ARNm est la copie exacte du brin non transcrit en remplaçant les T par des U. La totalité du gène est ainsi transcrit en ARNm qui passe dans le cytoplasme par les pores nucléaires. L'ARNp se déplace de 3' en 5' sur le brin transcrit d'ADN. La synthèse de l'ARNm commence donc par son extrémité 5' et se termine par son extrémité 3'. 2. L'amplification de la transcription (doc 14) En réalité, plusieurs molécules d'ARNm sont synthétisées quasi simultanément à partir d'un même gène. Pour cela, plusieurs ARNp se succèdent le long de la séquence du gène en se déplaçant dans le même sens. Tous les ARNm synthétisés par ces ARNp à partir du même gène sont donc des copies identiques. L'observation de ce phénomène montre une figure caractéristique identifiable en microscopie électronique et qui a un aspect en plume ou en sapin. B- La traduction dans le cytoplasme L'information génétique véhiculé par l'ARNm est décodé dans le cytoplasme au niveau des ribosomes. La petite sous-unité des ribosomes est capable de reconnaître et de se fixer sur la molécule d'ARNm. La grosse sousunité va alors se liée à la petite sous-unité et réalise l'assemblage des aa. 1. Les étapes de la traduction (doc 20) a. Initiation C'est la fixation du ribosome sur le codon AUG. Les 2 sous unités ribosomales sont séparés dans le cytoplasme. Elles se fixent l'une à l'autre sur l'ARNm au niveau du codon AUG. Le ribosome commence la lecture de l'ARNm c'est-à-dire que le premier ARN de transfert ayant l'anti codon complémentaire du codon AUG vient se fixer en apportant le premier aa : la méthionine. b. Élongation C'est la phase de lecture et de traduction des codons successifs de l'ARNm conduisant à l'élongation du polypeptide par déplacement du ribosome. Un deuxième aa correspondant au deuxième codon est mis en place au niveau du ribosome par fixation d'un deuxième ARN de transfert, le porteur de cet aa. La méthionine se sépare du premier ARN de transfert après avoir établit une liaison peptidique avec le deuxième aa. Le ribosome se déplace d'un codon le long de l'ARNm, ce déplacement est appelé translocation du ribosome. Un troisième aa se met

en place grâce à un troisième ARN de transfert. Le même processus se répète par déplacement du ribosome de codon en codon. Au fur et à mesure de ce déplacement, un nouvel aa correspondant au codon est mis en place et une liaison peptidique le lie au précédent. Le ribosome se déplace sur l'ARNm dans le sens 5' vers 3'. c. Terminaison L'élongation de la chaîne polypeptidique se termine quand le ribosome arrive sur un codon STOP ou codon non sens. Il n'existe pas d'aa correspondants. La chaîne polypeptidique se détache alors du ribosome et le premier aa est libéré de cette chaîne. Les deux sous-unités ribosomales quittent la chaîne d'ARNm. Ainsi, suivant les règles du code génétique, l'information contenue dans l'ARNm est traduite codon par codon en aa depuis le codon initiation jusqu'à un codon STOP d'arrêt de synthèse. La synthèse des protéines est unidirectionnelle. Le polypeptide est synthétisé de l'extrémité N terminale (groupement NH2) et l'extrémité C terminale (groupement COOH).

Remarque : Les polypeptides issue de la traduction ne sont pas encore fonctionnels. Ils vont subir des transformations qu'on appelle maturation qui permette de transformer cette chaîne en protéines et notamment de passer de la structure primaire issue de la traduction à la structure tertiaire ou quaternaire. 2. L'amplification de la traduction (doc 21 p 10) Plusieurs ribosomes effectuent la synthèse de polypeptides à partir du même ARNm. Ils se succèdent sur cet ARNm et forme une structure appelé polysome. Chacun d'eux est à un stade différent de lecture de l'ARNm mais ils assurent tous la synthèse du même polypeptide. Une fois qu'un ribosome a terminé la traduction il peut reprendre la lecture de l'ARN au début. Chaque molécule d'ARNm permet ainsi la synthèse de plusieurs molécules de polypeptides avant d'être détruite. L'amplification de la transcription et de la traduction permet à la synthèse protéique d'être rapide et réactive.

C- La maturation des ARN chez les eucaryotes ...