CHAPITRE III : Synthèse Protéique. ADN ARN Protéines

Transcription

1 CHAPITRE III : Synthèse Protéique Introduction : L information contenue dans l ADN, c'est-à-dire le matériel génétique, se présente sous forme de séquences nucléotidiques précises, alignées sur les brins d ADN. La nature du flux d information dans les cellules fut d abord décrite par Francis Crick comme le dogme central de la biologie moléculaire : L information passe dans un sens du gène (ADN) à une copie d ARN du gène et cette copie contrôle l assemblage progressif d une chaine d acides aminés en protéine ADN ARN Protéines Mais comment s opère le lien entre cette information et les caractères d un organisme donné? C est en dictant la synthèse de certaines protéines que l ADN d un organisme produit des caractères spécifiques. Donc, les protéines représentent le lien entre le génotype et le phénotype. Le processus par lequel l ADN régit la synthèse des protéines, l expression génique, comporte deux étapes appelées : la Transcription et la Traduction Le premier mécanisme, transcrit l information contenue dans l ADN (le gène) en une séquence d ARN contenant l information correspondante. Le second mécanisme, traduit l information contenue dans l ARN en une séquence d acides aminés spécifiques d un polypeptide donné. 1- La transcription chez les eucaryotes : Synthèse d ARN à partir d ADN C est la synthèse d ARN sous la direction d ADN. L information est transposée d une molécule à l autre. La formation d un ARN spécifique sous le contrôle d un ADN spécifique, nécessite une enzyme, l ARN polymérase II. Elle nécessite aussi des ribonucléotides triphosphate appropriés (ATP, GTP, CTP et UTP), une matrice d ADN et l ion Mg2+. 1

2 Rq : Dans une région donnée de l ADN, telle qu un gène, seul un des brins «le brin matrice» est transcrit, il est appelé brin antisens ou brin non codant ; l autre brin complémentaire reste non transcrit, il est appelé brin sens ou brin codant. L ARNm n est pas le seul ARN synthétisé lors de la transcription. Le même processus est responsable de la synthèse de l ARNt (de transfert) et l ARNr (ribosomique) qui constitue une fraction essentielle du ribosome. Ils sont transcrits mais non traduits Donc, l énoncé un gène une enzyme ou un gêne un polypeptide n est pas tout à fait exact. Chez les eucaryotes, il existe 3 sortes d ARN polymérases : Pol I. Synthétise les ARNr sauf 5S. Dans le nucléole. Pol II. Synthétise les précurseurs d ARNm. Dans le noyau. Pol III. Synthétise les ARNt et autres petits ARN nucléaires (snrna), et ARNr 5S. Dans le noyau Chez les procaryotes, il existe une seule ARN polymérase On distingue trois étapes lors de la transcription : a- L initiation : L initiation de la transcription par l ARN polymérase II, débute par la fixation sur le promoteur (séquences particulières : boite TATA) de plusieurs facteurs généraux de transcription, appelés : TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH et TFIIJ, en plus de l enzyme elle-même La fixation du facteur TFIID sur la boite TATA est la première étape de la constitution du complexe d initiation de la transcription. TFIIH possède une activité hélicase qui lui permet d ouvrir la double hélice d ADN au point d initiation de la transcription (+1). - La transcription commence au site +1, à environ 25 à 30 nucléotides de la boite TATA 2

3 Figure 1 : formation du complexe d initiation de transcription Figure 2 : Structure Promoteur chez les Eucaryotes Figure 3 : Structure Promoteur bactérien 3

4 +1 TFIID, TFIIB Figure 4 : Initiation de la transcription (Eucaryotes) Un promoteur, étant une séquence spécifique d ADN indiquant à l ARN poly où commencer, et quel est le brin d ADN à lire. Une partie de chaque promoteur correspond au site d initiation (+1), où commence la transcription. L ARN polymérase lit le brin d ADN matrice et se déplace dans la direction 3' 5' et synthétise le transcrit d ARN dans la direction 5' 3'. b) L élongation «les ARN poly allongent le transcrit» : Comme les ADN poly, les ARN poly ajoutent de nouveaux nucléotides à l extrémité 3' (OH) de la chaîne d ARN croissante, c'est-à-dire que le nouvel ARN s allonge de son extrémité 5' (P) vers son extrémité 3'. Chaque nucléotide triphosphate est sélectionné en fonction de sa complémentarité 4

5 avec la base du brin ADN matriciel. L ARN polymérase construit un ARN hybridé avec le brin antisens de l ADN dont la séquence primaire est la copie du brin sens mais composée de ribonucléotides à la place de désoxyribonucléotides et d Uracile à la place de la thymine La transcription utilise, comme dans la réplication, l énergie libérée à la fois par le retrait et par la rupture du groupement pyrophosphate de chaque nucléotide ajouté. ARN polymérase peut ajouter à peu prés 50 nucléotides / sec Un gène peut être transcrit simultanément par plusieurs ARN polymérases Brin(Matrice) Figure 5: Elongation c) La Terminaison «la transcription s achève à des séquences de bases particulières» : Vers la fin du gène, les facteurs liés à l ARN poly II reconnaissent sur le brin matrice, une séquence 3 TTATTT 5 (premier signal) suivie dans la plupart des gènes d un autre signal 3 ATACAAAC 5 qui libèrent l ARN poly II. La transcription s arrête peu après le premier signal. L ARN poly II se détache, libère le transcrit primaire et la double hélice se referme. Chaque molécule d ARN est libérée de la matrice d ADN sous forme d une molécule libre, simple brin, longue de à nucléotides. 5

6 . Les mécanismes de terminaison sont complexes et divers. a. Pour certains gènes, le transcrit nouvellement formé se détache simplement de la matrice d ADN et de l ARN polymérase. b. Pour d autres gènes, il faut une autre protéine pour détacher le transcrit. Les ARN synthétisés par l ARN polymérase II, sont appelés Pré-ARNm ou transcrits primaires. Modification de l ARN apres avoir été transcrit : Dans le noyau de la cellule eucaryote, des enzymes apportent des modifications (maturation) spécifiques à l ARN pré-messager avant que l information génétique soit envoyée vers le cytoplasme a) Coiffe 7-méthylguanosine triphosphate (Me-G-ppp-5 ) Les ARNm sont exposés à des ribonucléases dans le cytoplasme. Leur hydrolyse libère des nucléotides qui seront utilisés pour la synthèse de nouveaux ARN. Chaque extrémité du pré-arnm subit une transformation. L extrémité 5 crée en premier au cours de la transcription est recouverte d une coiffe, coiffe 5, constituée d un nucléotide de Guanine méthylée (-CH3) après la transcription des 20 à 40 premiers nucléotides La coiffe (cap) des ARNm protège les ARNm d éxonucléases et permet la liaison de l extrémité 5 au niveau des ribosomes. La coiffe Me-G-ppp-5 est caractéristique de tous les ARNm. Les ARNm des procaryotes sont directement traduits sans modifications. b) Queue poly(a) Aussitôt que le transcrit primaire libéré, une endonucléase clive la fin du transcrit 10 à 15 nucléotides environ, après une séquence (AAUAAA) appelée boite polya considérée comme un signal. Après le clivage, une polya-polymérase incorpore un grand nombre de ribonucléotides, tous à Adénine,(polyA) à l extrémité 3 du transcrit. Le transcrit primaire se trouve allongé d une queue polya de plus de 50 à 250 nucléotides. Cette queue est indispensable à la maturation et à l activité de l ARNm qui la porte. Elle facilite leur transport vers le 6

7 cytoplasme, inhibe leur dégradation et facilite leur attache aux ribosomes. Les séquences 5 UTR et 3 UTR (Un Translated Region) aux extrémités de ARNm correspondent aux régions non traduites, elles ont une fonction dans la liaison aux ribosomes ; 5 UTR 3 UTR Figure 6 : Modification post-transcriptionnelle c) Excision et Epissage L étape suivante de la maturation de l ARN est l élimination d une grande partie de la molécule d ARN nouvellement synthétisée. Cela se fait grâce à un processus d excision et d épissage du pré-arnm. La plupart des gènes d eucaryotes et leurs transcrits d ARN ont des séquences codantes (exons) et des séquences non codantes (introns) Figure 7 : ADN : Introns et Exons Le Splicéosome (en anglais, splicing) : est un complexe dynamique de particules ribonucléoprotéiques (composées d'arnsn et de protéines) et localisé dans le noyau des cellules. Son rôle est de s'associer à l'arn pré-messager et d'en assurer la maturation, avant son exportation dans le cytoplasme, pour être traduit en protéines. Les différentes particules du 7

8 splicéosome sont aussi appelées snrnp, pour small nuclear RiboNucleoProteins. Le splicéosome majeur se compose de 5 snrnps : snrnp U1, U2, la di-snrnp U4/U6 et la snrnp U5. Ces particules sont formées d'un petit ARN (snrna) auquel s'associent des protéines Pratiquement tous les introns commence par GU et se terminent par AG (voir figure cidessous), extrémités ou le spliceosome va se fixer. 2- La traduction : Figure 8 : Excision et Epissage Au cours du processus de la traduction, la cellule construit une protéine à partir des instructions contenues dans le message génétique. Celui-ci consiste en une série de codons alignés sur l ARNm, et il est interprété par un autre type d ARN, appelé ARNt qui a pour rôle d acheminer vers le ribosome, les acides aminés qui se trouvent dans le cytosol. Les ARNt ne sont pas tous identiques. Chacun traduit un certain codon d ARNm en acide aminé particulier. Lorsque l ARNt atteint le ribosome, il porte un AA donné a l une de ses extrémités (3 ) dont la séquence terminale est toujours CCA et, à l autre extrémité 5, se trouve un triplet de nucléotides appelé anticodon qui se lie au codon complémentaire de l ARNm. Au moment du contact, l ARNt et l ARNm sont antiparallèles anticodon-codon 8

9 Chaque ARNt possède un seul anticodon, lui permettant de s unir à un codon particulier grâce à l appariement de bases complémentaires qui rend la traduction si spécifique La structure tridimensionnelle des ARNt leur permet de se fixer spécifiquement aux sites de liaison sur les ribosomes. La structure des molécules d ARNt est clairement liée à leurs fonctions : ils transportent des acides aminés, s associent aux molécules d ARNm et interagissent avec les ribosomes Les étapes de la traduction : Figure 9 : Structure de l ARNt a- L initiation : Elle commence par la formation d un complexe constitué d un ARNt portant le premier acide aminé et une petite sous unité ribosomique, les deux sont liés au point d initiation sur la chaîne d ARNm. L anticodon d un ARNt chargé en méthionine se lie au site approprié de l ARNm par appariement des bases complémentaires avec l AUG, le codon d initiation. Après cette liaison, la grande sous-unité du ribosome se joint au complexe. Rq : Le ribosome a trois sites de liaison pour l ARNt : 9

10 Le site A (aminoacyl) : qui fixe une molécule d ARNt portant un prochain acide aminé qu il faut ajouter à la chaine polypeptidique. Le site P (peptidyl) : qui retient une molécule d ARNt portant la chaîne polypeptidique en cours de synthèse. La première molécule d ARNt chargée, portant la méthionine, se lie au site P du ribosome Le site E (Exit) : site de sortie, l ARNt libéré se détache du ribosome par le site E Rq : Un groupe de protéines appelées facteur d initiation, contribuent à diriger le processus, en utilisant le GTP comme apport énergétique. b- L élongation «Le polypeptide s allonge à partir de l extrémité N- terminale» Au cours de l élongation, les acides aminés sont ajoutés un à un, à la suite l un de l autre. Le ribosome et l ARNm bougent en sens inverse l un par rapport à l autre et, codon par codon. Un ARNt chargé entre dans le site A ouvert. La grande sous-unité catalyse la formation d une liaison peptidique entre l acide aminé présent sur le site P et celui du site A de sorte que le premier acide aminé soit l extrémité N- terminale de la nouvelle protéine, tandis que le second reste attaché à son ARNt par son groupement carboxylique (-COOH). Après avoir libéré son acide aminé, le premier ARNt se dissocie du complexe, retournant vers le cytosol pour se charger d un autre acide aminé identique. Le second ARNt, portant alors un dipeptide, se dirige vers le site P du ribosome qui se déplace d un autre codon le long de l ARNm. L énergie nécessaire à ce mouvement provient de l hydrolyse d une autre molécule de GTP c- La terminaison : Quand un codon stop (UAA, UAG, UGA) entre dans le site A, la traduction s achève. 10

11 Aucun ARNt ne possède d anticodon correspondant à ces codons qui servent de signal de fin de traduction. Une protéine appelée facteur de terminaison, «facteur de relargage» reconnaît ces séquences, se lie directement au codon de terminaison du site A et ajoute une molécule d eau au lieu d un acide aminé à la chaine polypeptidique enfin terminée. L ARNt est relargué, puis le ribosome est déstabilisé et se sépare en sous-unité, libérant l ARNm Note : un seul ribosome peut synthétiser un polypeptide de taille moyenne en moins d une minute. Cependant, un même ARNm sert en général à synthétiser simultanément un grand nombre de copies d un polypeptide donné. Cela est possible parce-que plusieurs ribosomes (polyribosomes ou polysomes) traduisent le message en même temps. Grace à eux, une cellule à la capacité de synthétiser de nombreuses copies d un polypeptide rapidement. Pendant sa synthèse, la chaine polypeptidique s enroule et se replie spontanément en formant une protéine fonctionnelle dotée d une conformation spécifique. Donc elle devient une molécule tridimensionnelle possédant une structure secondaire et tertiaire. C est le gène qui détermine la structure primaire. La protéine doit parfois passer par des modifications post-traductionnelles avant de pouvoir remplir sa fonction dans la cellule : certains acides aminés sont modifiés chimiquement par l ajout de glucides ou de lipides, de groupements phosphates ou d autres substances, des enzymes peuvent détacher un ou plusieurs acides aminés de l extrémité amine de la chaine polypeptidique, dans certains cas une chaine polypeptidique est découpée en plusieurs morceaux par voie enzymatique ; exemple : l insuline est d abord synthétisée sous forme d une chaine polypeptidique, toutefois, elle ne devient active que lorsqu une enzyme enlève un segment situé au centre de la chaine. 11

12 2- Le code génétique : On peut considérer l information génétique transcrite dans une molécule d ARNm comme une série de mots composés de trois lettres. Chaque séquence de trois nucléotides le long de la chaîne code un acide aminé particulier. Le mot à trois lettres est un codon. Ce codon est complémentaire de son codon correspondant dans la molécule d ADN à partir de laquelle il a été transcrit. Les combinaisons de ces quatre lettres (bases) dans des codons à trois lettres donnent 64(4 3 ) codons différents qui ne déterminent que 20 acides aminés. AUG qui code la méthionine est le codon de départ et le signal de l initiation pour la traduction. Les 3 codons : UAA / UAG / UGA sont des codons stop, ou terminaison de la chaîne. Rq : Quand le mécanisme de la traduction atteint l un de ces codons, la traduction s interrompt et un polypeptide est libéré du complexe de traduction. On dit que le code est dégénéré ou redondant, c'est-à-dire qu un acide aminé peut être représenté par plusieurs codons ; mais cette dégénérescence n existe par pour tous les acides aminés, par ex : la méthionine et le tryptophane sont représentés par un seul codon tandis que la leucine est représentée par six codons différents En d autres termes, un acide aminé peut être codé par plus d un codon, mais un codon ne peut coder qu un seul acide aminé. Rq : Les codons du brin d ADN transcrit pour synthétiser les ARNm sont complémentaires et antiparallèles aux codons représentés dans le tableau du code génétique. 12

13 Ex : AAA dans le brin matrice d ADN correspond à la phénylalanine qui est codée par le codon UUU de l ARNm. Le code génétique est non ambigu, et est universel mais pas à 100% car il existe des différences chez les mitochondries et les chloroplastes. 13

14 Expression génique chez les procaryotes Les procaryotes ont une seule enzyme ARN polymérase. Elle est constituée de quatre sousunités : deux chaines alpha, une chaine beta et une chaine beta. Lorsqu elle participe à la transcription, il y a addition d une autre sous-unité sigma. Etape 1 : Initiation Il y a trois sites de l ADN : promoteur en amont, site d initiation ou unité de transcription et site de terminaison en aval. La première base transcrite est désignée comme +1, et cette numérotation se poursuit en aval jusqu'à la dernière base transcrite. Toutes les bases situées en amont du site de départ reçoivent des valeurs négatives -1. Sur le promoteur, deux séquences de six bases sont communes aux promoteurs bactériens : l une est située 35 nucléotides en amont du site d initiation (-35) et l autre se trouve à 10 nucléotides de ce site (-10). C est sigma qui reconnait la séquence -35 du promoteur et positionne l ARN pol au site de départ correct pour transcrire dans la bonne direction. L ARN pol commence à dérouler l hélice ADN au site -10. Etape 2 : Elongation La transcription débute un ribonucléotide triphosphate. La chaine s allonge dans le sens 5 vers 3 par l addition de ribonucléotides. La région contenant ARN pol, l ADN modèle et ARN en croissance est appelée «bulle de transcription. 14

15 Etape 3 : Terminaison L extrémité de l unité de transcription bactérienne est marquée par des séquences de terminaison. Le transcrit d ARN de cette région peut former une structure bicaténaire dans une région riche en GC, une épingle à cheveux suivie d au moins quatre ribonucléotides U. la formation de l épingle à cheveux arrête ARN pol en la plaçant sur la série des quatre uraciles. La transcription chez les procaryotes est couplée à la traduction. L ARNm produit commence à être traduit avant la fin de la transcription. Des que l extrémité 5 est disponible, des ribosomes s y fixent pour entamer la traduction (identique à celle des eucaryotes). 15

16 Une autre différence entre l expression génique des procaryotes et des eucaryotes provient du fait que les ARNm des procaryotes renferment plusieurs gènes. Les gènes procaryotes sont souvent organisés groupés pour ceux qui codent des fonctions apparentés. Ce groupements de gènes fonctionnellement apparentés est un opéron. Un opéron est une unité de transcription unique codant plusieurs enzymes nécessaires à une voie biochimique (nous y reviendrons dans le chapitre opéron lactose). 16