Chapitre 2. La synthèse protéique : la relation entre le génotype et le phénotype.

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1 Chapitre 2. La synthèse protéique : la relation entre le génotype et le phénotype. Les maladies génétiques comme la drépanocytose ou l'albinisme sont liées à des modifications du génotype des individus appelées mutations. Les allèles mutés sont à l'origine de protéines dont la structure primaire est modifiée ainsi que leurs propriétés. La colinéarité entre gène et protéine. En 1963, Yanofsky montre que les positions relatives des mutations dans le gène sont identiques à celles des changements d'acides aminés dans la protéine : le gène et la protéine qu'il code sont dits colinéaires. La séquence d'acides aminés d une protéine est donc imposée par la séquence de nucléotides d un gène : le gène et la protéine qu'il code sont dits colinéaires. Problème : Comment passe-t-on de la séquence de nucléotides d'un gène à la séquence d'acides aminés d'une protéine? Hypothèse : Il doit exister un intermédiaire moléculaire entre l'adn et les protéine. 1. L'ARN, un intermédiaire entre les gènes et les protéines a) L'information génétique et sa localisation 1/8

2 L'information génétique des cellules eucaryotes est localisée (en partie) dans le noyau. Le support de cette information est la molécule d'adn condensée en chromosomes (23 paires chez l'espèce humaine). Cette molécule dont la structure est connue depuis 1953 (James Watson et Francis Crick) est constituée de 2 brins complémentaires enroulés l'un autour de l'autre pour former une double hélice. Chaque brin est un assemblage d'une multitude de nucléotides (Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine). Une séquence de nucléotides détermine un gène. Chaque chromosome porte alors plusieurs gènes qui ne sont que des petites parties seulement de la longue molécule d'adn. b) La localisation cellulaire de la synthèse des protéines Les expériences d'autoradiographie (marquage radioactif de molécule) ont permis de montrer que l'assemblage des acides aminés issus de notre alimentation, en polypeptide (molécule de 30 à 50 acides aminés ; une protéine en possède plus de 100) se déroulait dans le reticulum endoplasmique rugueux (REG), à l'extérieur du noyau. Comme l'adn ne peut pas sortir du noyau, il doit donc exister une molécule capable de franchir les pores nucléaires pour atteindre le REG. 2/8

3 c) L'ARN, un intermédiaire indispensable Comparaison ADN/ARN Les électrophorèses ont permis d'isoler un deuxième acide nucléique, simple brin, et de structure chimique proche de celle de l'adn (la thymine est remplacée par l'uracile et le sucre est un ribose). L'ARNm (acide ribonucléique messager), produit dans le noyau à partir de la molécule d'adn est suffisamment petit pour franchir l'enveloppe nucléaire et atteindre le cytoplasme de la cellule. Sa synthèse est également associée à l'incorporation des acides aminés dans les protéines. 3/8

4 2. La première étape de l expression de l information génétique : la transcription. a) De l ADN à l ARN 4/8

5 L'ARN est donc formé à partir de l'adn. Seul le brin complémentaire du gène sert de «matrice» à la transcription. Il est transcrit par complémentarité entre les nucléotides : adénine et uracile, d'une part, cytosine et guanine d'autre part. La transcription est donc la synthèse, à partir d'un seul brin d'adn, d'une molécule d'arn de séquence complémentaire. L'ARN possède ainsi la même information que celle du gène. Mais sa taille est beaucoup plus petite que celle du gène. Il ne correspond qu'à une fraction de l'information portée par le gène. Il faut donc produire plusieurs ARNm pour chaque gène. b) Le mécanisme de la transcription 5/8

6 La transcription de l'adn en ARNm nécessite l'intervention d'une enzyme : l'arn polymérase. Celle-ci se fixe sur un site de début de gène, écarte temporairement les deux brins de la molécule d'adn (destruction de liaisons faibles), et met en place, par complémentarité des bases, des nucléotides d'arn face aux nucléotides d'adn du brin transcrit (polymérisation). Elle établit une liaison forte entre les nucléotides de l'arnm, se déplace et finit par se détacher sur un site situé en fin de gène. La réaction de polymérisation a lieu dans le noyau, puis l ARNm est exporté dans le cytoplasme de la cellule. Remarque : Plusieurs ARN polymérases transcrivent simultanément le même gène, ce qui permet de produire de l'arn très rapidement et en grande quantité (processus d'amplification) et de répondre ainsi rapidement aux besoins de la cellule. 3. La deuxième étape de l expression de l information génétique : la traduction. a) Le code génétiques L'ARNm qui sort du noyau contient les instructions permettant la synthèse des protéines. Ce message doit donc changer de nature chimique ce qui nécessite un système de correspondance, de traduction. La correspondance entre nucléotide et acide aminé fut tout d'abord estimée par calcul. Un ou deux nucléotides ne conduisent pas à un nombre suffisant de combinaisons pour coder les 20 acides aminés existants. En revanche, 3 nucléotides consécutifs permettent d'obtenir 64 possibilités. Un triplet de nucléotides appelé codon code donc pour un acide aminé. L'ensemble des 64 codons constituent le code génétique découvert par Nirenberg et Matthei dans les années Un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents : on dit que le code génétique est redondant ou dégénéré. Le code génétique est également non ambigu, c'est-à-dire un même codon code toujours pour le même acide aminé. Enfin, le code génétique est presque identique chez tous les êtres 6/8

7 vivants : on le considère comme universel. Cette propriété est depuis exploitée par l'homme au cours des expériences de transgénèse (une séq. de nucléotides d'une espèce pourra être traduite en protéine par une autre espèce). b) Le mécanisme de la traduction Le message génétique apporté par l'arn est interprété en protéine au cours de la traduction qui se déroule dans le REG ou le cytoplasme au niveau des ribosomes. 7/8

8 Elle commence au codon d'initiation AUG qui correspondant à l'acide aminé méthionine. Le ribosome passe ensuite au codon suivant. Un acide aminé, apporté par un ARNt, vient se placer en face du codon correspondant. Le site catalytique du ribosome permet d'établir une liaison peptipique entre le nouvel acide aminé et l'acide aminé du codon précédent. Cette étape s'appelle l'élongation. Lorsque le ribosome arrive au codon non-sens ou stop, il se détache : c'est la terminaison, la fin de la synthèse protéique. Un même ARNm peut être traduit simultanément par plusieurs ribosomes (polysomes) pour produire rapidement un grand nombre de protéines. Schéma bilan de la synthèse des protéines dans une cellule animale 8/8