Introduction à la biologie moléculaire

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1 Introduction à la biologie moléculaire École Rockefeller 1ère année 2011/2012 M. HERASSE

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3 Plan du cours I Protéines et acides nucléiques I 1) Les protéines I 2) Les acides nucléiques II Le flux de l information génétique ADN -> ARN -> protéine III Divisions cellulaire III 1) mitose III 2) différenciation et mort cellulaire III 3) méiose

4 I Protéines et acides nucléiques

5 I Les protéines Polymère d acides aminés Présentes dans toutes les cellules de l organisme A la base de toutes les fonctions biologiques Très grande diversité

6 les acides aminés (AA)

7 20 acides aminés propriétés variables en fonction du radical R Alanine ALA A H Arginine ARG R C+ Asparagine ASN N P Aspartate ASP D C- Cystéine CYS C P Glutamate GLU E C- Glutamine GLN Q P Glycine GLY G - Histidine HIS H P,C+ Isoleucine ILE I H Leucine LEU L H Lysine LYS K C+ Méthionine MET M H Phénylalanine PHE F H Proline PRO P H Sérine SER S P Thréonine THR T P Tryptophane TRP W P Tyrosine TYR Y P Valine VAL V H Sélénocystéine SEC U - Pyrrolysine PYL J

8 8 acides aminés essentiels => ne peuvent pas être fabriqués par notre organisme.

9 Structure des protéines : 4 niveaux Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 structure primaire : séquence structure secondaire : motifs particuliers structure tertiaire : forme globale structure quaternaire : association de plusieurs molécules

10 Structure primaire : séquence enchaînement linéaire d AA spécifique définie par un gène donné

11 Ex : séquence de l'α-lactalbumine humaine : MRFFVPLFLVGILFPAILAKQFTKCELSQLLKDIDGYG GIALPELICTMFHTSGYDTQAIVENNESTEYGLFQISN KLWCKSSQVPQSRNICDISCDKFLDDDITDDIMCAKKI LDIKGIDYWLAHKALCTEKLEQWLCEKL

12 Structure secondaire

13 Structure tertiaire globulaires ex : la globine béta de l'hémoglobine fibreuses ex : kératine

14 Exemple clinique : Maladie de Creutzfeld Jakob (A) Protéine normale (B) protéine prion PrP anormale

15 Structure quaternaire : association de molécules ex : hémoglobine 4 chaînes = tétramère

16 Composition des protéines holoprotéines : que des acides aminés hétéroprotéines : AA + hème ex: hémoglobine, cytochrome AA + glucides : glycoprotéines ex: glycoprotéine P AA + lipides : lipoprotéines ex: LDL

17 Exemple clinique : glycoprotéine P et résistance aux 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

18 Exemple clinique : Lipoprotéine Grands complexes de protéines et de lipides Transport de lipides, hormones, vitamines, etc. dans l organisme. La coque externe : couche de phospholipides, cholestérol et apolipoprotéines

19 Fonction des protéines (1) 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.

20 Exemple d activation par le clivage : L insuline coupure A+B = insuline active coupure

21 Exemple de dénaturation par la chaleur : La coagulation du blanc d œuf est irréversible : ne redevient pas liquide lorsqu'on le refroidit

22 Fonction des protéines (2) Très grande diversité de fonctions biologiques

23 Protéines de structures forme particulière de chaque cellule attachement des cellules les unes aux autres résistance aux tensions mouvements intracellulaires => tendons, ligaments, armature interne des cellules, toiles d'araignées, cornes, poils, plumes, fibres des caillots sanguins, tissus donnant de la résistance aux organes.

24 Exemple : Le collagène protéine la plus abondante de l'organisme. => grosses fibres très résistantes à la traction : apporte souplesse et résistance aux tissus.

25 Exemple clinique : le scorbut carence en vitamine C = mauvaise synthèse du collagène : => fragilité des vaisseaux sanguins, des tendons, de la peau, etc => graves hémorragies

26 Protéines permettant le mouvement Ex : la myosine contraction des cellules musculaires

27 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

28 Exemple clinique : la drépanocytose

29 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 intestinal co-transporteur glucose/na + de l intestin

30 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

31 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

32 Hormones protéiques messagers chimiques dans l organisme : elles transmettent des informations d une partie du corps à une autre. La plupart des hormones sont des protéines. Ex : l'insuline

33 Identification des cellules : Ex : protéines de membrane CMH (Complexe Majeur d Histocompatibilité) Très nombreuses et très variables. => pas deux personnes avec les mêmes.

34 Protéines récepteurs au niveau des membranes Alertent la cellule de la présence de certaines molécules dans leur environnement. Ex : Récepteur à l acétylcholine contraction

35 Exemple clinique : myasthénie Maladie auto-immune : intervention d anticorps anti- Récepteur à l acétylcholine (anticorps bloquants) contraction contraction

36 Rôle dans la défense contre les infections Les anticorps des millions différents chacun peut reconnaître une molécule spécifique.

37 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,

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

39 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

40 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.

41 Enzymes => Protéines qui déclenchent ou favorisent les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules. Ex : la trypsine dégrade les protéines ingérées dans l intestin, permettant leur absorption dans le sang.

42 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.

43 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 à différentes 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 Défense contre les infections Récepteur à l acétylcholine Anticorps Présent sur les cellules des muscles, il reçoit l acétylcholine et induit la contraction musculaire. 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

44 I Les acides nucléiques 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.

45 Les nucléotides sucre + groupement phosphate + base azotée. P 5 différents selon la base : A (Adénine), T (Thymine), G (guanine), C (Cytosine), U (Uracile)

46 Structure des acides nucléiques Partie fixe : squelette sucre- P Partie variable : la séquence de bases Séquence : C G T A C T

47 Formation d une double hélice ADN Complémentarité des bases : A=T et C=G Appariement de 2 chaînes Orientation antiparallèle des brins

48 ADN (Acides Désoxyribo Nucléiques) exclusivement dans le noyau de la cellule sous forme de chromosomes porte l information génétique (les gènes)

49 chromosome condensé squelette protéique chromatine totalement décondensée chromosome dénaturé

50 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

51 Synthèse de l ADN : réplication => en prévision de la division cellulaire. L ADN est synthétisé par copie d une matrices d ADN déjà existantes. Réplication semi-conservative

52 ARNs (Acides Ribo Nucléiques) 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

53 ADN et ARN :

54 II Le flux de l information génétique

55 Transformation de l information génétique en protéine Dogme central = ADN -> ARN -> protéine 2 étapes : étape nucléaire : transcription étape cytoplasmique : traduction

56 Etape nucléaire : transcription la séquence d'adn est reproduite dans une séquence d'arn appelé messager (ARNm) Même «langue» : l enchaînement des nucléotides

57 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.

58 Etape cytoplasmique : traduction 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

59 Le code génétique => règles de correspondance entre des triplets (codons) de nucléotides et des acides aminés ARNm AUGCCCGUCAAGUUGCCGUGA acide aminé acide aminé acide aminé

60 Caractéristiques du code génétique universel non-chevauchant non-ambigu dégénéré (redondant) NB : code génétique information génétique.

61 Tableau du code génétiqu e

62 Machinerie de traduction : ribosomes

63 Modélisation 3D de la traduction Polypeptide ARNm Ribosome

64 Processus d'amplification Plusieurs ribosomes vont agir sur un même ARN m

65 Régulation du flux d information génétique

66 ADN noyau gène transcription ARNm cytoplasme sortie du noyau traduction maturation protéique Schéma récapitulatif fonction protéique

67 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

68 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 3 Intégration de l ADN au génome de la cellule hôte 4 Transcription de l ADN étranger en ARN viral 5 Synthèse des protéines virales 6 Assemblage des particules virales 7Sortie des virus par bourgeonnement

69 III Divisions cellulaires

70 III 1 Cycle cellulaire et mitose 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

71 Interphase : duplication du matériel génétique (réplication) Formation de chromosomes à 2 chromatides sœurs : Les 46 chromosomes sont dupliqués en 2 chromatides identiques, réunis au niveau du centromère. Un seul centromère (!)

72 Mitose 6 étapes permettent de passer d une cellule mère à 2 cellules filles identiques avec le même matériel génétique. Prophase Prométaphase Métaphase Anaphase Télophase Cytodiérèse noyau cellule mère cellule fille cellule fille

73 Etapes de la mitose :

74 A - interphase B et C - prophase D - prométaphase E - métaphase F - anaphase G - télophase H - cytodiérèse I - 2 cellules en Interphase

75 Le contrôle de la division cellulaire Contrôle des lésions de l ADN Contrôle de la réplication de l ADN Contrôle de la bonne séparation des chromosomes Contrôle de la bonne division des cellules

76 Exemple clinique : cancer et protéine P53 Rôle dans le contrôle du cycle cellulaire à l interphase. => Si lésions ADN alors blocage du cycle réquisision 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.

77 Résumé mitose réplication de l ADN mitose cellule mère 46 chr 1 chromatide cellule mère 46 chr 2 chromatides cellules filles 46 chr 1 chromatide

78 II 2) différentiation et mort cellulaire Différents types cellulaires. => différenciation

79 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

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

83 Exemple de cellules souches unipotentes : les cellules satellites des fibres musculaires (myoblastes) => fusion et différenciation en grandes cellules musculaires à plusieurs noyaux.

84 Cycle cellulaire et cellules souches cellules souches nécessaires pour renouveler les cellules trop différenciées d un tissu. Reste cellule souche Entre en différenciation

85 La mort cellulaire : La mort cellulaire intervient dans de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques. 3 types de mort cellulaire : - la nécrose Mort accidentelle - l apoptose - la mort par autophagie. Morts programmées

86 Caractéristiques des différentes types de mort cellulaire :

87 II - 3) Division cellulaire et reproduction sexuée : la méiose Diploïdie et haploïdie Organisme / cellules diploïdes cellules haploïdes cellule diploïde

88 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 méiose : division réductionnelle 4 étapes : Prophase 1 Métaphase 1 Anaphase 1 Télophase 1

89 Etapes de la première division de méiose Chromosomes homologues { chromatides sœurs

90 Deuxième division de méiose : division équationnelle Caractéristiques de la mitose. Pas d interphase entre les 2 divisions. 4 étapes : Prophase 2 (très réduite) Métaphase 2 Anaphase 2 Télophase 2 + Cytodiérèse

91 Etapes de la deuxième division de méiose

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93 Méiose 1

94 Méiose 2