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LES RIBOSOME ET LA SYNTHESE PROTEIQUE I – Biogénèse et caractères généraux des ribosomes Dans une cellule eucaryote, les ribosomes sont soient libres dans le cytoplasme, soient liés à la membrane du RE. Cela dépend de la synthèse des protéines qu’ils vont réaliser. Dans les mitochondries ils sont synthétisés sur place (dans la mitochondrie), ils ressemblent aux ribosomes des procaryotes et servent à la synthèse de quelques protéines mitochondriales. La plupart des protéines sont importé du cp vers la mitochondrie. Ils ont la même fonction que les ribosomes du noyau. Ces ribosomes sont formés par des SU ribosomales qui sont initialement générés au niveau du nucléole. Ils sont responsables de la traduction. Les ribosomes des cellules eucaryotes et procaryotes sont assez comparables. Ils ont des protéines analogues. Cela renforce l’hypothèse d’une origine bactérienne pour ces organites à partir d’une symbiose.

II – La traduction Le mécanisme de la traduction (ARN  P) : Le passage de l'ADN à l’ARN = transcription est simple : on converti une information génétique de l'ADN en ARN par des molécules très proche. On reste dans le même type de support de l'inAArmation. Alors que de l’ARN aux protéines, il y a transformation des nucléotides en aa. Ce sont des molécules chimiquement très différentes.

1-Le code génétique Il existe 4 nucléotides différents dans l'ARN (A, U, G, C) et 20 AA différents dans les protéines. La traduction ne s’applique pas par une correspondance entre nucléotide et AA. En effet la séquence est lue par groupe de 3 nucléotides que l’on appelle codons. On a 64 codons possibles mais seulement 20 AA :  par conséquent un AA peut être décrypté par un ou plusieurs codons. On a différentes combinaisons possibles : parfois les AA sont décrypté par un codon unique comme le tryptophane ou la méthionine ou parfois les AA peuvent être décrypté par plusieurs codons (jusqu’à 6 comme la leucine). Un codon donne toujours un aa unique qui lui correspond sauf 3 : UAG, UGA et UAA qui sont les codons stop = signe de la terminaison de la traduction ; ils illustrent la fin d’une séquence codante pour une protéine. Avec la même séquence d'ARN, en fonction de l'endroit où l’on commence la lecture, on peut faire des AA différents. Ceci est mis à profit par certains virus : il y a des virus qui, afin de coder pour plusieurs protéines, utilisent ce mécanisme de décalage du cadre de lecture. Ce sont des virus qui ont des petits génomes. Ce sont les gènes chevauchant. Ce n'est quasi jamais le cas dans un ARN messager cellulaire (un seul cadre de lecture est exploité). Pour trouver le bon cadre de lecture il y a des signaux sur l’ARNm qui permettent de le reconnaitre.

2- Les différentes étapes de la traduction L'élaboration de la protéine par des ribosomes se fait de manière progressive en présence de tous les acteurs de la traduction:  SU ribosomales  ARNm  les AA  ARNt sont des acteurs essentiels. Ce sont des molécules adaptatrices. La séquence contient un anticodon qui s'apparie avec le codon de l'ARNm. Ils ont une forme de trèfle avec à l’opposé de la séquence anticodante l’aa fixé. La chaine protéique est synthétisée par une suite de fixation de ces ARNt sur l’ARNm de l'extrémité 5' vers 3. Le ribosome est une tête de lecture qui se déplace le long de l’ARN et qui décrypte le code G de l'ARNm et lui associe un aa.

Initiation : Fixation d'un ARNt spécial :ARNt initiateur qui se fixe sur une petite SU ribosomale qui elle est libre dans le cytoplasme. Cette ARNt initiateur est toujours porteur d’une méthionine :  ce qui a pour conséquence que le premier AA fixé est toujours une méthionine. Cependant cette méthionine peut être éliminée par une protéase ce qui fait que toutes les protéines ne commence par une met. Cet ARNt initiateur est différents de celui qui ajoute des méthionines lors de la synthèse protéique. Ce complexe : ARNt et petite SU se fixe en 5' grâce à des protéines particulières qui sont présentes au niveau des extrémités 5’. Ensuite, il scanne l'ARNm en se déplaçant de 5' en 3' jusqu'à ce qu’il trouve un codon AUG = codon start. Il s'arrête alors sur ce codon grâce à la complémentarité de l’anti codon et du codon AUG. Il conditionne l'arrivé de la grande SU qui se fixe sur la petite. C’est le signal de recrutement. Ainsi se forme le ribosome complet.

Elongation : Succession d’assemblage d’AA sur la chaîne protéique couplé au déplacement du ribosome de 5’ à 3’. La petite Su fait correspondre les ARNt qui portent les aa, au codon des ARNm et la grosse SU catalyse la formation d’une liaison peptidique qui va relier les aa entre eux pour former la chaîne protéique. Cela se fait via l’activité peptidyl-transferase qui se déroule dans la grande SU. La formation de la liaison peptidique entraine libération d’une molécule d’eau.

Terminaison : La fin du message de codage de la protéine est due à la présence d'un codon stop qui indique au ribosome l'arrêt de la traduction. Les codons stop ne sont pas reconnus par un ARNt et l’on observe donc un arrêt de la traduction. L'activité peptidyl-transférase catalyse l’addition d’une molécule d’eau sur le dernier AA ce qui permet la formation de l’extrémité COOH de la protéine. La protéine est ensuite libérée, le ribosome se dissocie, l'ARNm est libéré, et tous ceci peut être recyclé pour synthétiser de nouvelle protéine. C'est un mécanisme très rapide, 2 AA ajoutés par seconde pour une cellule eucaryote et encore plus rapide dans une cellule procaryotes avec 20 AA ajouté par seconde.

NB : L'initiation de la traduction dans une cellule eucaryote commence au niveau du premier codon start qui se trouve en aval de l’extrémité 5’ mais ce n’est pas toujours le cas. Les nucléotides autour de ce codon start influence l’initiation. Si les nucléotides autour de ce codon ne sont pas favorables, le ribosome peut ignorer le codon start et se déplacer jusqu'à un autre codon start. On peut utiliser cela pour synthétiser différente protéine en fonction du codon start. Une même protéine peut avoir 2 destinations différentes Elles vont avoir un N term différente. On trouve cela souvent quand il y a un signal d’adressage (une version d’adressage au noyau et l’autre au cytoplasme).

Les contrôles de traduction protéique : Il existe des protéines qui sont des répresseurs traductionnels. Elles contrôlent de manière négative la traduction d’une autre protéine. Exemple : dans une cellule eucaryote il y a certain répresseurs qui se fixe entre l'extrémité 5' et 1er codon start ce qui empêche la petite SU de détecter le codon start. C'est l'exemple de la traduction de la ferritine qui stocke le fer intracellulaire lorsqu’il est en excès. Elle empêche l'effet toxique du fer dans la cellule quand il est en quantité importante et libre dans la cellule. Il existe dans la région 5' non traduit de l’ARNm de cette protéine, une séquence de 30 nucléotides qui forment une structure en tige-boucle. Il existe un répresseur transcriptionnelle qui se fixe sur la tige : l’aconitase, et qui bloque la traduction de l’ARNm en bloquant le déplacement de la petite SU. Elle agit lorsque la concentration en fer est faible dans la cellule.

L’aconitase peut se lier au fer quand la concentration cellulaire augmente. Le fer en se liant à l’aconitase rompt la liaison de l’aconitase à l’ARNm de la ferritine. L’ARNm peut être traduit ce qui va permettre la fabrication de la ferritine et donc le stockage du fer. C'est un système qui permet la production rapide de ferritine car l'ARNm est déjà présent et peut être utilisé très rapidement.

3-Les polysomes/polyribosome Ils sont formés par un ARN et plusieurs ribosomes.

Même si le phénomène de traduction est rapide, il y a plusieurs site d’initiation qui peuvent de former sur les ARNm en cours de traduction. Dès qu’un ribosome progresse vers 3’ après s’être fixe en 5’, un autre ribosome vient rapidement se fixer en 5’ et démarre ainsi une nouvelle traduction. Chaque molécule d'ARN se retrouve alors avec plusieurs synthèse protéique + ou – achevée. Cela permet de synthétiser un grand nombre de copies d'une protéine à partir d'un seul ARNm. Les polysomes (comme les ribosomes) peuvent se trouver libre dans le cytoplasme ou lié à la mb du RE.

III - Les ribosomes et les antibiotiques. La plupart des antibiotiques utilisés pour traiter des infections bactériennes sont des inhibiteurs de la traduction. La spécificité de l'action de ces AB repose sur la synthèse protéique des bactéries. Il y a des différences entre les ribosomes eucaryotes et procaryotes, c’est pourquoi ils ne sont pas toxique pour l’homme. On ne peut pas utiliser des AB qui agissent spécifiquement sur les ribosomes de la cellule eucaryote. Les virus n'ont pas de ribosomes et donc les AB ne servent à rien sur eux. Les AB se fixe sur différente région du ribosome (une étape bien précise de la traduction) ils sont donc de bon outils pour étudier fonctionnement des ribosomes. A cause d’une surutilisation des AB on a des phénomènes de résistance des bactéries aux AB. Exemples :  Tetracycline : bloque la fixation d’un ARNt sur le ribosome. Elle agit sur la petite SU.  Chloramphenicol :(…) : il bloque l’action de la peptidyl transférase de la grande sous unité. Il a longtemps été utilisé en médecine mais arrêté car il était toxique. La toxicité est liée au fait qu’il n’agit pas sur les ribosomes du cytoplasme mais sur ceux des mitochondries puisqu’ils sont très ressemblant à ceux des procaryotes. Cette molécule peut conduire à des aplasies médullaires = destruction des cellules de la moelle osseuse car ils y a inactivation des mitochondries de ces cellules de la moelle osseusse. La plupart des AB ont été découvert en étudiant leur activité naturelle sur les bactéries : le 1er est la pénicilline par Flemming : étude des champignons qui infectaient ces cultures. On s'intéresse beaucoup à la structure 3D des ribosomes : ARN petite SU et protéine grande SU), cela permet de concevoir de nouvelles molécule AB qui peuvent bloquer des ribosomes procaryotes sans bloquer le ribosome eucaryotes. C’est une avancée de la biologie structurale (reconstruire structure des ribosomes). Cela permet aussi de faire progresser les connaissances sur les aspects de fonctionnement des ribosomes. Les 55 sites actifs des ribosomes dans grande sous unité ribosomal sont éloigné des P : ce ne sont pas les P qui sont responsables des activités peptidyl transferase mais c’est un ARN contenu dans la grande sous unité ribosomale : ribozyme Ce sont les ARN des ribosomes qui sont responsable de l’activité peptidyl transférase. Avec ce type d'approche, c'est l'ARN qui été présent avant les P. Les P ribosomales servent à favorise l'activité enzymatique mais l'acteur principal est l'ARN. L’ancêtre des ribosomes likes devait être constitué que d'ARN sans protéines mais pas assez rapide donc évolution pour rendre la synthèse protéique plus fiable et plus rapide. ARN World : monde à ARN (1ere molécule ds un monde très primaires), avec l'évolution l'ADN serait apparu (avec double hélice, plus stable). Les P ont remplacé les ARN comme principaux catalyseur enzymatique plus efficace. L’ARN n’est maintenant plus qu'un intermédiaire. Mais certains ARN ont encore une activité enzymatique : vestige primaire.

IV - Maturation et dégradation des protéines 1-Le repliement des protéines : rôle des protéines chaperons. La traduction a permis de généré une P. Cette protéine pour qu’elle soit fonctionnelle doit se replier (conformation particulières adapté à sa fonction). Ce repliement se fait en fonction de la séquence en acides aminés, avec la présence d'AA hydrophile ou hydrophobes. Par exemple, les protéines cytoplasmiques enfouissent leur région hydrophobe pour ne pas être exposé au cytoplasme (composé d'eau). Si elle expose le domaine hydrophobe cela peut créer des interactions et former des agrégats ce qui peut être toxique pour la cellule. Il existe aussi des liaisons H au sein des chaines protéiques qui entrainent la formation d'hélice alpha et feuillet béta. Chaque domaine formé peut se replier et ces domaines successifs se font indépendamment les uns des autres, ils correspondent à des domaines fonctionnels. Les P kinase P* les P cibles et contiennent au moins deux domaines :  un qui reconnaît la P cible  et l'autre impliqué dans la p* de la cible. Cependant, bien qu'elle puisse se replier en fonction des AA, ce repliement est aussi favorisé par des protéines chaperons qui vont aider et favoriser le repliement d'une protéine. Ces P chaperons se lient à des chaines protéiques qui sont en partie repliés et les aide à acquérir le bon repliement (le plus favorable d’un point de vue énergétique et fonctionnel). Elles permettent de cacher temporairement les domaines hydrophobes et éviter ainsi les agrégats qui sont toxiques pour la cellule. Ce sont des protéines HSP car elles sont synthétisées en excès quand les P sont exposés à la chaleur. Une température trop élevée entraine une altération de la conformation de la protéine. On observe une augmentation de synthèse des HSP via un stress (car mauvaise config des P). La découverte des HSP, par un chercheur italien qui travaillait sur les drosophiles. On s'est rendu compte que d'autre forme de stress pouvait aussi augmenter leur synthèse. La cellule eucaryote dispose de deux familles de Protéines chaperons : - HSP 70 (de classe 1), - HSP 60 (de type II / chaperonine). Elles sont cytoplasmiques, ATP dépendante et fonctionnent avec des complexes multienzymatiques pour reconnaitre les domaines hydrophobes ou mal repliés des protéines. Il existe des homologues chez les procaryotes ainsi que dans les mitochondries (HSP 60 et 70 mitochondriale. Il y a aussi BIP et HSP70 à l'intérieur du RE qui aide à son repliement. Fonctionnement de HSP 70: Intervient avant la fin de la traduction. Cela concerne les protéines en cours de la traduction. Dès que la chaine protéique sort du ribosome, HSP se fixe dessus, il reconnait une séquence hydrophobe et la masque/cache le temps que la traduction se finissent. La protéine peut ainsi se replier correctement en cachant son domaine hydrophobe (non exposé vers le cp qui pourrait conduire à des interactions incorrecte). L’HSP 70 est ensuite évacué/recyclé et sert pour d'autres P.

HSP 60 : Elle agit plus tard, quand la synth Pik est complètement achevée. Elle prend en charge des P qui ont des domaines mal repliées. C'est un petit tonneau. Elle sert à isoler la P mal replier, la P rentre à l'intérieur (isole du reste des protéine). Elle ressort et peut rejoindre le cp et HSP 60 peut resservir pour d'autre sites. Parfois ces mécanisme échouent, la P est éliminée en étant envoyé vers le protéasome qui dégrade les P mal replié. Le rôle des protéines chaperons dans des maladies (auto immune) : Certaines bactéries exposées à une situation de stress, synthétisent de grande quantité de P chaperons comme dans la tuberculose, la bactérie synthétise beaucoup de protéine qui augmente la concentration en HSP 60 qui induit une réponse Ac (anti HSP60 bactérienne). Cependant la bactérie est peu différente de HSP humain et entraine une réponse auto immunitaire. Les gens infecté font des Ac anti HSP 60 de la bactérie, mais comme cette dernière est proche de celle des eucaryotes, ils se retournent vers ceux des eucaryotes ce qui induit une arthrite rhumatoïde. 2-La

dégradation des protéines : le protéasome

Quand les mécanismes de repliement des P chaperons ne peuvent pas être efficaces, la P mal replié peut être détruite comme par protéolyse : elle début par l'identification de région anormale hydrophobe à la surface de la P. Le protéasome : complexe cytoplasmique. Il est présent en nombre important dans la c : 1%. Il y a un étiquetage par une protéine : l'ubiquitine. Elle s'attache de manière covalente au P mal repliées la P est ainsi reconnu comme qq chose à dégrader par le protéasome. Elle se fixe sur le NH2 de la lysine puis une seconde ubiquitine se fixe sur la première et ainsi de suite : on obtient une chaine d'ubiquitine. On a un site d'ubiquitinylation à partir d’une lysine. On parle de chaine ubiquitine ou substrat poly ubiquitinylé. La lysine peut être présente n’importe où dans la chaine, le protéasome les reconnait et les dégrades. La chaine d'ubiquitine est reconnue par un récepteur a la surface du cylindre, elle est intégré puis dégradé (qd elle rentre à l'int du cylindre). Elle est dégradée en peptide par une machinerie protéolytique. Les ubiquitines sont recyclées. La P est dégradée en peptide court (7-9 aa), c'est ces peptides courts qui sont relargué dans le cytoplasme par le protéasome et qui seront de nouveaux dégradés par des enzymes. Le protéasome est utilisé dans les mécanismes de dénutrition entrainant la fonte musculaire, car il sert à générer des AA pour la synthèse protéique. Dans le cytoplasme d'autres P les clivent encore plus et sont dégradée en aa et sont réutilisé pr d'autre mécanismes. Ce mécanisme est ATP dép. C'est qq chose qui sert à dégrader des P mal repLié mais est aussi présent en cas de mal nutrition : protéasome plus activé et fourni des aa à l'organisme (muscle mou). Le protéasome est très conservé au cours de l’évolution. Ce mécanisme sert aussi à la régulation d'autres mécanismes dans la cycle : dégrade des P pour contrôler les niveaux de P dans la c : c'est une destruction contrôlé par protéolyse contrôlé. Ex : des cyclines (cycle de dégradation). Les cyclines sont dégradées par le protéasome : c'est physiologique. C'est un mécanisme important dans les étapes de la vie de la c.

3-Repliement anormales et pathologiques. a) Neuropathologies

Parfois le système de contrôle de repliement des P dans la c est inefficace, il y a formation d'agrégat très toxiques et entrainent la mort cellulaire. En plus de la mort des cellules, l'agrégat induit des pathologies en interagissant avec d'autre c. on trouve ça dans Alzheimer et Huntington. Protéine chaperon ou protéasome qui fonctionne mal ? Cependant les P qui s'agrège sont elle-même des chaperons et autocontrôlent leur repliement. La survenue d'une P mal replié peut avoir une amplification (effet boule de neige) et peut induire des mauvais repliement pour les autres P qui était normale. Les agrégats dépassent la capacité de dégradation du protéasome de par leur nombre. De plus les agrégats forment des structures fibrillaires difficiles à détruire. Cela forme des dépôts de substance amyloïde ce qui caractérise ces maladies. b) Les maladies à prions : Elles atteignent le système nerveux central (aucune thérapie en place) et sont mortelle. Cependant elles sont très rares. Elles peuvent se transmettre d'un organisme à un autre qui se transmet par l'alimentation (si on ingère des tissus qui contiennent ces agrégats protéique). Ceci est présent chez les animaux : la tremblante du mouton (scrapie) : les moutons tremblent tt le temps. La scrapie est très fréquent (existe depuis des siècles) - encéphalopathie spongiforme bovine : maladie de la vache folle (le cerveau devient comme une éponge). ESB bcp plus récent. Chez l'homme est très rarement atteint : Kuru (disparu) et la maladie de Creutzfeld Jacob (MCJ). Kuru : maladie observé dans un seul endroit au monde chez les papous en nouvelle guinée. Les papou mangeaient le cerveau des morts et était censé s'approprier le savoir des anciens. Il y a apparition du Kuru dans cette population. Apparition chez les papous puis transmission. Maladie Creutzfeld Jackob : touche 1 pers par an par millions d'habitants (après 60 ans). Elle touche surtout les personnes âgées. Une nouvelle forme de cette maladie est apparue il y a 20 ans liés à la consommation de bœuf (vache folle). Ces maladies humaines ou animales sont causées par une protéine anormalement repliés qui vient de la PrP (prion protéine) normalement exprimée dans le cerveau, elle peut être converti en une forme résistante à la protéolyse lorsqu’elle est anormale, ce qui lui permet lorsqu’elle former des agrégats de ne pas être dégradé. La forme replié convertit la forme normale dans le dimère en forme anormale. Les protéines peuvent se dissocier pour aller déformer d’autres protéines ou former des agrégats. Un prions est une protéine qui tend a former des agrégat elle est exprimé dans le...