I- La relation gène / protéine

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1 ATTENTION : EN ENCADRE ROUGE = CE QUI EST A SAVOIR ABSOLUMENT Pb. Scientifique général du CHAP. 03 : Comment les gènes déterminent-ils la réalisation des caractères héréditaires? CHAPITRE 3 L EXPRESSION DU PATRIMOINE GENETIQUE Acquis antérieurs : 3ème : Certains caractères sont héréditaires. Les chromosomes sont le support du programme génétique. Chaque chromosome est constitué d ADN. Chaque chromosome contient de nombreux gènes, chacun porte une information génétique et détermine un caractère. Accroches : 1- L ADN, le disque du de demain? 2- L ADN utilisé comme support de message codé dans l espionnage Introduction L ADN porte l ensemble des informations nécessaires à la vie cellulaire : c est la molécule informative des cellules. On compte environ gènes chez l homme et davantage encore de protéines qui déterminent l ensemble des caractères de notre espèce. Pb. Scientifiques : Quel est le rôle précis de l information portée par un gène? Quels sont les processus permettant le passage d une molécule d ADN à la séquence d une protéine? Comment expliquer le nombre élevé de protéines produites par les cellules? I- La relation gène / protéine Problème : Comment les gènes sont-ils à l origine des protéines responsables des caractères héréditaires? TP 4 TD INFO RASTOP ET ANAGENE STRUCTURE D UNE PROTEINE ET GENE ASSOCIE A- La structure d une protéine Rappel : Obtention de souris transgéniques dans lesquelles a été incorporé le gène responsable de la Fluorescence (gène prélevé sur une méduse) ACTIVITE 1 : LES PROTEINES, MOLECULES PEPTIDIQUES EXEMPLE DE L HEMOGLOBINE Objectif : - Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser des protéines Les protéines sont des molécules indispensables à la structure et au fonctionnement des cellules. Une protéine est constituée par un ou plusieurs polypeptides. Chaque polypeptide est un polymère d acides aminés, c'est-à-dire une molécule construite par la répétition de petites molécules liées entre elle, les acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents pour construire toutes les protéines du vivant. Dans un polypeptide, les acides aminés réagissent avec leurs voisins, ce qui provoque un repliement de la chaine dans l espace, la structure spatiale (tertiaire) de la protéine. La forme spécifique de la protéine dans l espace lui confère une fonction particulière. 1

2 B- La relation gène / protéine La séquence des nucléotides code la séquence des acides aminés d une protéine. Une correspondance ADN / protéine - page Des expériences historiques ont démontré que c est la séquence des nucléotides de la molécule d ADN (un gène) qui impose la séquence, l ordre des acides aminés qui constituent la protéine. Il s agit du concept un gène, une protéine. Une mutation, c'est-à-dire un changement dans la séquence des nucléotides provoque, un changement dans la séquence de la protéine, on parle de la colinéarité gène/protéine. Chez les eucaryotes, l ADN est toujours localisé dans le noyau et la synthèse des protéines se réalise dans le cytoplasme. 2

3 EXEMPLE de la drépanocytose : REVOIR TP 3 du chap. 2 + Act. 1 du chap. 3 Une séquence d ADN permet l expression d une protéine particulière. Une modification de la séquence des nucléotides de la molécule d ADN = mutation entraîne des modifications observables au niveau du phénotype. Cette modification du phénotype s explique au niveau moléculaire par un changement de la séquence des acides aminés de la chaîne β du polypeptide constitutif de l hémoglobine, elle-même modifiée. la séquence des acides aminés de la chaine β de l hémoglobine est déterminée par la séquence des nucléotides d une portion d ADN particulière = le gène impliqué dans la synthèse la chaine β de l hémoglobine - Un gène est une séquence de nucléotides d une portion de l un des deux brins de la molécule d ADN, il détermine la séquence d acides aminés d un polypeptide donné. - La synthèse de protéines complexes, comme l hémoglobine, formées par l assemblage de plusieurs polypeptides nécessite la participation de plusieurs gènes. - La molécule d ADN d un chromosome est le support de très nombreux gènes répartis à un emplacement précis, appelé locus. - A chaque locus se trouve une des différentes versions du gène : un allèle. 3

4 Pb. : Comment l information génétique enfermée dans le noyau peut-elle conduire à une synthèse cytoplasmique des protéines? C- La localisation cellulaire de la synthèse protéique La synthèse cytoplasmique des protéines et la localisation nucléaire de l ADN imposent la mise en place d un intermédiaire entre l ADN et les protéines. ACTIVITE 2 : LA RELATION ADN / PROTEINE ET SA LOCALISATION CELLULAIRE Objectif : - Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de localiser la synthèse protéique dans la cellule TP 5 LOCALISATION CELLULAIRE DE LA SYNTHESE PROTEIQUE / MISE EN EVIDENCE D UN INTERMEDIAIRE ENTRE L ADN ET LES PROTEINES Pb. : Quels sont les processus permettant le passage d une molécule d ADN à la séquence d une protéine? II DE L ADN A L ARNm A- 1 ère Etape : la transcription : de l ADN à l ARN messager : TP 6 De l ADN à la protéine, une relation indirecte page TP 6 TD INFO RASTOP ET GENIEGEN STRUCTURE COMPARÉE ARNm ET ADN 1- Nécessité d un transfert de l information : l ARNm un intermédiaire indispensable - L ADN des chromosomes est contenu dans le noyau et la synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme. un intermédiaire est donc indispensable entre l ADN et les protéines. Doc. 4 p. 39 Ce rôle est joué par l ARN messager, il assure le transfert de l information d un compartiment cellulaire à l autre. ACTIVITE 3 : LA STRUCTURE DE L ARNm : COMPARAISON AVEC L ADN Objectif : - Mettre en œuvre un logiciel permettant de comparer la structure moléculaire de l ARNm et de l ADN - l ARN messager (ARNm) = chaîne nucléotidique simple brin formée à partir de 4 bases azotées, A, C, G et U. 4

5 Chez les eucaryotes, il existe donc une molécule intermédiaire capable de porter l information du noyau vers le cytoplasme. Cette molécule est appelée ARNm (Acide Ribonucléique messager). L étape qui conduit à partir d un gène à la synthèse d un ARNm est appelée la transcription. Cette étape a lieu dans le noyau. L ARNm obtenu est proche de l ADN, il présente la même séquence que le brin codant, cependant : Le sucre (ose) des nucléotides est un ribose (sucre en C5) et non un désoxyribose. L ARNm ne contient pas de thymine, cette base azotée est remplacée par l uracile, base très proche chimiquement. L ARNm est une molécule monobrin, mobile et dont l existence est temporaire (quelques heures) L ARNm ne porte l information que d un seul gène (ppur la synthèse d une seule protéine), c est pourquoi c est une molécule bcp plus courte que l ADN L ARNm synthétisé dans le noyau, gagne le cytoplasme par les pores nucléaires. Le transfert de l information génétique des gènes vers les protéines s effectue alors en deux grandes étapes successives : - la transcription de l ADN en ARN messager - la traduction de l ARNm en séquence polypeptidique 5

6 2- Les mécanismes moléculaires de la transcription ou synthèse de l ARNm ACTIVITE 4 : LES MECANISMES DE LA TRANSCRIPTION Objectif : - Mettre en œuvre une méthode permettant d approcher le mécanisme de la transcription La synthèse d ARN à partir d ADN page La transcription se déroule dans le noyau et aboutit à la formation de molécules d ARN. Lors de la transcription, un seul brin de la molécule d ADN est copié en ARNm au niveau du gène. Le brin qui sert de matrice (modèle) pour la synthèse de l ARNm est appelé le brin transcrit. La molécule d ARN obtenue est en fait une copie conforme (Thymine remplacée par l uracile) de l autre brin de la molécule d ADN (gène) que l on nomme le brin codant. Exemple : ADN AAT GGC CTT brin transcrit TTA CCG GAA brin non transcrit ou codant ARN m UUA CCG GAA La synthèse de l ARNm : - s effectue par complémentarité d 1 des 2 brins d ADN qui sert de matrice appelé brin transcrit - est catalysée par une enzyme, l ARN polymérase : 1- cette ARN polymérase se fixe sur un site au début du gène, elle ouvre ponctuellement et temporairement (par rupture des liaisons faibles) la double hélice d ADN au niveau du gène à exprimer. 2- elle assemble les nucléotides complémentaires : mise en place par complémentarité des bases des nucléotides d ARN face à des nucléotides d ADN du brin transcrit ( = polymérisation) 3- elle établit des liaisons fortes entre les nucléotides de l ARNm 4- elle se déplace et se détache quand elle rencontre un site indiquant la fin du gène. Rq : Lors de la transcription, l ARN polymérase se déplace le long du brin, toujours dans le même sens pour un brin donné. Après le passage de l ARN polymérase, les 2 brins d ADN se réassocient. 6

7 «Autrement dit» : La transcription consiste en une polymérisation de nucléotides particuliers dont la séquence est complémentaire du brin transcrit. Cette polymérisation repose sur la complémentarité des bases azotées. La transcription nécessite l intervention d un complexe enzymatique, l ARN polymérase capable d ouvrir la molécule d ADN (rupture des liaisons faibles), de lire le brin transcrit et de polymériser la molécule d ARNm (40 nucléotides/seconde) Un gène transcrit conduit à la synthèse de nombreux ARNm identiques, car plusieurs ARN polymérases travaillent à la suite au niveau d un gène (voir schéma d interprétation du TP). Il y a donc un phénomène d amplification lors de la transcription. Remarque : Un gène doit comporter sous forme de séquences particulières de nucléotides, des repères de début de gène et de fin de gène qui permettent aux enzymes de transcrire correctement un gène. Chez les Eucaryotes, la transcription est la fabrication dans le noyau, d une molécule d ARN pré-messager, complémentaire du brin codant de l ADN. Les ARNm formés se détachent rapidement du brin transcrit, traversent l enveloppe nucléaire (voir photo au MET) par des pores et exportent l information génétique vers le cytoplasme : lieu de synthèse des protéines. 7

8 Pb. : Quelles sont les modalités de la traduction de l ARNm en protéines? B Deuxième étape : La traduction de l ARNm en protéine (TP7) TP 7 TD INFO RASTOP ET GENIEGEN STRUCTURE COMPARÉE ARNm ET ADN ACTIVITE 5 : LES MECANSIMES DE LA TRADUCTION Objectif : - Mettre en œuvre un logiciel permettant d approcher le mécanisme de la traduction Elle se déroule dans le cytoplasme de la cellule. 1- le code génétique Elucidation du code génétique page Dans le cytoplasme, l ARNm sert de modèle pour la synthèse de la protéine codée par un gène qui s exprime. - Le passage de la séquence nucléotidique (enchaînement de quatre types de nucléotides) à une séquence d acides aminés de la protéine (enchaînement de 20 types d acides aminés) fait intervenir un système de correspondance que l on appelle le code génétique. Voir TP5 A quelques exceptions près, il est commun à tous les êtres vivants : il est donc universel. - Dans l ARNm, l information est codée sous la forme d une séquence de triplets de nucléotides. Chaque triplet ou codon désigne la mise en place d un acide aminé donné dans la chaîne polypeptidique. Comme il y a 4 bases azotées différentes (ATGC) en les associant par trois, on obtient 4 3 = 64 associations différentes, c est-à-dire 64 codons différents possibles au niveau de l ARNm : 61 codons significatifs (codant pour des aa) et 3 codons non-sens (codons stop) 8

9 Propriétés du code génétique - Le code génétique est universel doc 4 p 43 (Nathan) Tous les êtres vivants de la bactérie à l homme utilisent le même code génétique (les codons signifient les mêmes aa). (La possibilité d une transgénèse en est une preuve). De rares exceptions chez la paramécie et dans les mitochondries. L universalité du code génétique renforce l idée d une évolution de tous les organismes vivants à partir d un ancêtre commun apparu très tôt dans l histoire de la vie vers 4 milliards d années. L utilisation concrète de ce code génétique par la cellule a lieu dans le cytoplasme. Elle nécessite de l énergie et de nombreuses nouvelles molécules ou outils - Le code génétique est univoque (= non ambigu) : un triplet désigne un seul acide aminé - Le code génétique est dégénéré : le doublet initial (de nucléotides, dans un codon Ex. = CC_ Proline) peut être seul déterminant. En conséquence le code génétique est redondant : un même acide aminé peut être désigné par plusieurs triplets différents Rq : la dégénérescence limite les effets des mutations et des erreurs de l ARN polymérase 2- L assemblage des acides aminés Traduction page L assemblage des acides aminés s effectue dans le cytoplasme au niveau des ribosomes (particules cytoplasmiques). - La traduction débute au niveau d un codon initiateur (AUG) qui oriente la lecture du message contenu dans l ARNm = Initiation. - Le déplacement du ribosome le long de la molécule d ARNm s accompagne de la mise en place des AA et de la formation des liaisons peptidiques = Elongation. - La nature et l ordre d assemblage des AA sont déterminés par la succession des triplets de nucléotides constituants l ARNm. - La traduction d une chaîne polypeptidique s achève quand le ribosome rencontre un codon stop (UGA, UAG, UAA) = terminaison. Rq : - Chaque molécule d ARNm est lue simultanément par plusieurs ribosomes - Les molécules d ARNm ont une durée d existence brève et constituent des copies éphémères d un gène. 9

10 En conclusion : L ARNm est le plan de formation (matrice) nécessaire à l incorporation à la bonne place des acides aminés ; la traduction se fait au niveau de structure cellulaire spécialisées : les ribosomes. Les ribosomes représentent les ateliers d assemblages (têtes de lecture de l ARNm) des aa. Ils sont capables de se déplacer le long de l ARNm. Un ribosome est capable d accueillir deux acides aminés afin de réaliser la liaison peptidique. La synthèse d une protéine se déroule en trois étapes : (voir schéma bilan) - L initiation qui se caractérise par la mise en place d un ribosome au niveau du premier codon de l ARNm (AUG) désignant la méthionine. Il s agit du codon initiateur. - L élongation du polypeptide par le déplacement du ribosome sur l ARNm et incorporation d un nouvel aa accroché au précédent par une liaison peptidique. - La terminaison provoquée par l arrivé du ribosome au niveau du codon stop de l ARNm ce qui déclenche la libération de la protéine par dissociation du ribosome. Chaque molécule d ARNm sert de matrice pour la synthèse de plusieurs polypeptides identiques puis est détruite (phénomène d amplification). Cette synthèse simultanée par plusieurs ribosomes d un ARNm forme un polysome observable en microscopie au niveau du cytoplasme de la cellule. L information contenu dans le gène (ou l ARNm) est donc comparable à un «plan de montage» d une protéine. Les étapes de la synthèse des protéines, la traduction Codon d initiation Codon stop A U G C U A C A G G C U U C C A A C G G C G U G U A G Codons ARNm L initiation Ribosome Met Leu Acide aminé A U G C U A C A G G C U U C C A A C G G C G U G U A G ARNm L élongation Met aa1 aa2 aa3 Leu Gln A U G C U A C A G G C U U C C A A C G G C G U G U A G Terminaison aa5 Ala aa6 Ser Sens de déplacement d un ribosome ARNm Met Protéine libérée Leu Gln Ala Ser Asn Gly Val A U G C U A C A G G C U U C C A A C G G C G U G U A G Codon stop ARNm 10

11 Pb. : Quelles sont les modifications subies par l ARN pré-messager pour finalement obtenir un ARNm à l origine d une protéine? III- LES MODIFICATIONS DE L ARN APRES LA TRANSCRIPTION : du génome au protéome = l épissage alternatif la maturation des ARNm page Il se déroule dans le noyau de la cellule. A- Les gènes des eucaryotes sont morcelés En réalité la transcription de l ADN dans le noyau donne naissance à un ARN pré-messager, copie fidèle du gène. Cet ARN pré-messager est constitué d une alternance de tronçons qui ne serviront pas à la fabrication des protéines, les introns et des tronçons codant pour la chaine polypeptidique, les exons. On parle ainsi de «gènes morcelés». Dans le noyau, l ARN pré-messager subit une maturation ou épissage qui repose sur une suppression des introns (séquences non codantes) et une liaison des différents exons entre eux (séquence codantes). On obtient un ARNm mature (5 fois plus petit) qui migre vers le noyau. B- L épissage alternatif multiplie la diversité des protéines Un même ARN pré-messager peut subir une maturation différente (un épissage alternatif) en fonction de différents facteurs, comme le type de cellule ou le moment où le gène s exprime. Cet épissage alternatif repose sur des combinaisons différentes des exons utilisés lors de la mise en place d un ARNm ce qui permet à un même gène de coder plusieurs ARNm différents et donc plusieurs protéines différentes. Ce mécanisme explique que si l homme possède seulement gènes ( pour un grain de riz), la taille de son protéome, c'est-à-dire l ensemble des protéines est infiniment plus grand (x4 = ) L épissage alternatif a probablement joué un rôle important dans l évolution des espèces. BILAN A l issue de la transcription, les ARN ont une séquence complémentaire du gène dont ils sont issus : ce sont des ARN pré-messagers. Ils subissent ensuite une maturation : certains fragments (intron) sont éliminés et les fragments conservés (exons) sont «recollés». Les ARN messagers ainsi obtenus sont exportés dans le cytoplasme. Selon le contexte, un même ARN pré-messager peut subir des maturations différentes, conduisant ainsi à des ARNm différents donnant naissance à des protéines différentes. Conclusion générale : Les gènes sont des fragments d ADN qui code pour la mise en place des protéines. La synthèse des protéines molécules clés du fonctionnement cellulaire nécessite une étape de transcription et une étape de traduction. Le mécanisme d épissage alternatif donne une explication à la grande diversité des protéines responsables de la diversité des espèces. 11