POLY-PREPAS Nature et expression de l information génétique 1 1
Expression de l information génétique à l échelle cellulaire 2 1-EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE 1.1- STRUCTURE DE L'INFORMATION GENETIQUE: L'information génétique est définie par l'activitéde la molécule d'adn. L'ADN, support de l'information génétique, est formépar un arrangement caractéristique de l'espèce de quatre types de nucléotides qui se distinguent par leur bases azotées. Les nucléotides se reconnaissent deux àdeux (A reconnaît T et réciproquement et C reconnaît G et réciproquement) ce qui fait que cette molécule est formée de deux chaînes complémentaires. Un nucléotide est une association de: base azoté + désoxyribose + acide phosphorique Un gène est une séquence de nucléotides d un brin d ADN déterminant la séquence d un polypeptide donné. 2
Structure secondaire de l ADN 3 Dans l'espace, cette molécule se présente en double hélice. Au cours de la réplication de la molécule d'adn, chaque chaîne ancienne construit une nouvelle chaîne qui lui est complémentaire et qui est identique àcelle avec laquelle elle était associée. On parle, alors, d'une duplication ou réplication semi-conservative de la molécule d'adn. 3
Expression de l information génétique 4 1.2-EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE: Chaque individu présente un ensemble de caractères qui correspondent àson phénotype. Ces caractères sont le produit de l'expression du matériel génétique puisqu'ils sont transmissibles àtravers les générations. L'expression de ces caractères revient àla présence de protéines spécifiques (c'est -à-dire àun arrangement spécifique en acides aminés). Plusieurs expériences telles que l'utilisation d'acides aminés radioactifs ont montréque la synthèse des protéines se fait dans le cytoplasme alors que l'information génétique est localisée dans le noyau. Ces observations ont laissé comprendre que la synthèse protéique ne se fait pas directement àpartir de la molécule d'adn d'oùla nécessitéd'un intermédiaire capable de se déplacer entre le noyau et le cytoplasme pour transporter l'information génétique jusqu'à la machine de synthèse protéique. Cet intermédiaire est l'arn messager. Dans nos cellules il y a trois types d'arn àsavoir: -ARN messager notéarnm. -ARN de transfert notéarnt qui fait reconnaître les acides aminés àl'arnm pour synthétiser les protéines. -ARN ribosomique notéarnr qui rentre dans la structure du ribosome qui forme la machine de synthèse protéique. Ainsi, on comprend que l'expression de l'information génétique se fait en deux étapes: -Transcription: on appelle transcription la conversion du gène en ARNm - Traduction: on appelle traduction la conversion de l'arnm en protéine c'est à dire en une séquence d'acides aminés. 4
Structure de l ARN 5 1.2.1- LA TRANSCRIPTION A- structure de l ARN L ARN est une macromolécule constituée d une chaîne de nucléotides. Chaque nucléotide est composéd un acide phosphorique, d un glucide àcinq atomes de carbone (le ribose), et d une des quatre bases azotées suivantes : A pour Adénine, U pour Uracile, C pour Cytosine et G pour Guanine. Il existe plusieurs types d'arn qui assurent des fonctions différentes dans les cellules. L ARN messager assure le transfert de l information génétique du noyau au cytoplasme. 5
La transcription 6 B- Mécanisme simplifié de la transcription La transcription correspond àla synthèse de molécules d ARNm àpartir de l ADN. Elle peut être observée au microscope électronique àtransmission. Sur le diapo ci-dessus, un gène présente une activitéde synthèse d ARN m. Chaque filament hérisséde part et d autre du fragment d ADN correspond à une molécule d ARN m en cours de synthèse. Lors de la transcription d un gène, la molécule d'adn «s'ouvre», au niveau de ce gène, par rupture des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires des deux brins. La synthèse d une molécule d'arn m s'effectue au contact d un des deux brins de l ADN, appelébrin transcrit, par assemblage de nucléotides libres dans le noyau suivant un ordre précis imposépar la complémentaritédes bases entre l ARN met le brin d ADN. Les règles d appariement des bases de l ARN m et du brin transcrit de l ADN sont pratiquement similaires àcelles qui régissent l appariement des deux brins d ADN. La différence réside dans le fait que le nucléotide àbase Ude l ARN m s apparie avec le nucléotide àbase Ade l ADN. Lorsque une molécule d'arn m est formée, elle se sépare de l'adn et quitte le noyau par les pores présents au niveau de la membrane nucléaire. L ARN polyméraseest un complexe enzymatique qui catalyse la transcription de l'adn en ARN m. L ARN polymérase reconnaît sur l'adn les séquences de nucléotides qui signalent le début et la fin de la transcription. La synthèse d ARN consomme de l'énergie. 6
La transcription chez les procaryotes 7 C-Cas du gène procaryote: L'observation du gène procaryote laisse constater que l'arnm synthétiséest directement utilisépour la synthèse protéique. Donc, chez les procaryotes, l'arnm correspond nucléotide par nucléotide à la portion transcrite du gène. 7
La transcription chez les eucaryotes 8 D-Cas des eucaryotes: Dans ce cas le gène est formé de deux catégories de séquences nucléotidiques: -Les exons: qui correspondent aux séquences codantes et se trouvent sous forme complémentaire dans l'arnm exporté vers le cytoplasme. -Les introns: qui correspondent àdes séquences non codantes, insérées entre les exons et qui n'ont pas de complémentaires dans l'arnm utilisé pour la synthèse protéique. Le gène eucaryote est, ainsi, dit morcelé ou en mosaïque. Suite àcette structure, la transcription du gène eucaryote se fait en deux phases: d'abord le gène est transcrit en sa totalité(exons et introns) pour donner un premier ARN dit ARN préméssager. Puis, au niveau même du noyau, l'arn préméssager subit une excision des parties correspondantes aux introns et un épissage des parties correspondantes aux exons pour donner, en fin, l'arnm qui sera transféré vers le cytoplasme. 8
Le code génétique 9 1.2.2-LA TRADUCTION: La traduction consiste àfaire correspondre la séquence nucléotidique de l'arnm àla séquence d'acides aminés de la protéine. La question qui s'impose est : comment peut-on faire correspondre les quatre nucléotides de l'information génétique aux vingt acides aminés des protéines? Le code génétique: La réponse àcette question a permis de définir le code génétique. Ce code a étémis en place à la suite d'un raisonnement mathématique qui a étéconfirmépar l'expérimentation. En effet, si on fait correspondre àun nucléotide un acide aminé(4 1 =4) on n'obtient pas un arrangement satisfaisant puisqu'une protéine ne renfermera au maximum que quatre acides aminés différents! Ce qui n'est pas le cas dans la nature. De même, un arrangement qui fait correspondre deux nucléotides àun acide aminén'est également pas satisfaisant (4 2 =16). Comme on peut le constater sur le diapo ci-dessus, parmi les 64 CODONS : 61 désignent un acide aminé; 3 commandent l'arrêt de la synthèse protéique et sont appelés codons stop ou codon non-sens (UAA, UAG et UGA). Certains codons désignent le même acide aminé. Par exemple la leucine correspond àsix codons différents. A cause de cette particularité, le code génétique est dit redondant ou dégénéré. Ce code possède 5 propriétés: A-Le code génétique est dégénéré: c'est-à-dire que la plupart des acides aminés sont définis par plus d'un seul codon. B-Le code génétique n'est pas chevauchant: c'est àdire qu'un nucléotide n'appartient qu'àun seul codon et la lecture se fait codon par codon. C-Le code génétique est àquelques exceptions près universel. D-le doublet initial peut être seul déterminant E-Trois codons ne définissent aucun acide aminéet sont ainsi appelés codons stop ou codons non sens. Il s'agit des codons UAA, UAG et UGA. 9
La traduction chez les eucaryotes 10 A-La machine de synthèse: La machine de synthèse est formée d' acides aminés, de l'arnm, de ribosomes (voir schéma) et de l'arnt qui est forméd'une chaîne nucléotidique associée àdes protéines et qui présente la forme d'une feuille de trèfle avec quatre pôles dont un qui forme un site de fixation de l'acide aminéet un autre qui est forméd'un triplet complémentaire au codon correspondant à l'acide aminé en question et qu'on appelle anti-codon. 10
Mécanisme de la traduction 11 B- Mécanisme de la traduction La traduction de l'arnm en protéine se fait en trois phases successives: A-La phase d'initiation: L'ARNm, libre dans le cytoplasme, sera fixépar une petite sous-unitédu ribosome tel qu'un codon initiateur (toujours le même) AUG sera exposéen premier plan ce qui va faire appel àune grande sous-unitédu ribosome qui couvre l'ensemble. Cette sous-unitéest formée de deux sites: site A et site P. Le site P se trouve déjàen face du codon initiateur ce qui fait appel àun ARNt initiateur puisqu'il porte l'anti-codon UAC et un acide aminéinitiateur: la méthionine. La fixation de cet ensemble dans le site P déclenche la synthèse protéique. B-La phase d'élongation: Le site A de la grande sous-unitéétant libre devant le deuxième codon, ceci fait appel àun deuxième ARNt qui porte le deuxième acide aminé. L'installation de cet ARNt dans le site A stimule la formation de la liaison peptidique entre les deux acides aminés et la rupture de la liaison entre le premier ARNt et son acide aminéce qui rend le site P libre d'oùle glissement du ribosome d'un codon. Ainsi, le site A devient libre devant le troisième codon et le site P héberge le deuxième ARNt chargédes deux premiers acides aminés ce qui stimule l'arrivée d'un troisième ARNt qui porte le troisième acide aminé et ainsi de suite. C-La phase de terminaison: En face d'un codon non-sens, et comme il n'existe aucun ARNt capable de reconnaître ce codon, la synthèse s'arrête par la libération de la chaîne peptidique et le détachement des deux sousunités du ribosome. Si l'acide aminéinitiateur ne fait pas partie de la protéine synthétisée, il sera également libéré. 11
Conclusion 12 CONCLUSION: Le phénomène de l'expression de l'information génétique est un phénomène rapide puisqu'on a constatéchez des bactéries l'association d'acides aminés pouvant atteindre 350 par minute. Il est également amplifiépuisqu'un seul gène peut être transcrit plusieurs fois en même temps pour produire plusieurs ARNm correspondants, de même, un seul ARNm peut être lu par plusieurs ribosomes en même temps pour former ce qu'on appelle un polysome (chez l'homme, un ARNm peut porter de 5 à20 ribosomes successifs). 12
Phénotype et protéines 13
Les échelles d'observation du phénotype: la sicklémie 14 1-Les échelles d'observation du phénotype: la sicklémie -l'organisme: dansla sicklémieoudrépanocytose, maladiehéréditairedu sang, rienne distingue extérieurement un individu sain d'un malade: ce dernier présente une anémie chronique, des crises de douleurs articulaires(la radiographie révèle des nécroses osseuses et cartilagineuses); la mortalité est élevée. -la cellule: au niveaucellulaire,les hématiesontuneformede faucillechez les maladeslorsquela pressionen dioxygèneestfaible, uneformede disquebiconcave chez les sujets sains. Observé au microscope électronique, le globule rouge drépanocytaire désoxygéné apparaîtremplid'un gel formépar des cristauxallongéslongs de 1 à15 µm constitués par des polymères d'hémoglobine: déformé par ces structures fibreuses tubulaires, il prend une forme caractéristique en faucille. - la molécule: l'hémoglobine est une protéine du cytoplasme des hématies. Elle est constituéede quatrechaînespolypeptidiquesidentiquesdeuxàdeux: deuxchaînes et deux chaînes.
Protéines-enzymes 15 2-Les protéines-enzymes: 2.1-- Protéines et phénotype la réalisation du phénotype dépend étroitement de l'intervention des protéines. Une protéine est une molécule réalisant une fonction biologique donnée. Exemples: - hémoglobine et transport des gaz respiratoires, - myosine et actine interviennent dans la contraction musculaire. 2.2--Enzymes Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction biochimique. La catalyse (du grec : catalusis = dissolution) est la modification de la vitesse d une réaction chimique produite par certaines substances (nommées catalyseurs) qui se retrouvent intactes à la fin de la réaction. Une enzyme ne fait qu accélérer une réaction initialement possible sous des conditions différentes et permet de la rendre réalisable dans les conditions de la cellule Nous prendrons l'exemple de la synthèse de la mélanine, pigment donnant sa couleur à la peau. La voie de biosynthèse de la mélanine est connue: elle débute par l'intervention d'un précurseur, un acide aminé, la L-tyrosine, et comprend six étapes: Les deux premières étapes(1) et (2) sont catalysées par une même enzyme: la tyrosinase. C'est le défaut d'activité de cette enzyme qui est responsable de l'absence de mélanine, donc de l'albinisme(phénotype se caractérisant notamment par l'absence de coloration au niveau de la peau). Ainsi les molécules protéiquesquesontles enzymes, par leurprésenceouleurabsence, interviennentdansla réalisationdu phénotype. Une protéine est constituée d'un enchaînement d'acides aminés: il en existe 20 naturels. Le nombre d'acides aminés constitutifs variant d'une protéine à l'autre, les protéines se caractérisent donc par leur extrême diversité(un enchaînement de n acides aminés offre 20en séquences différentes). Ladiversitédes protéinesestdoncàl'originede lavariabilitédes caractèresphénotypiques.
Catalyse enzymatique 16 3- LES ENZYMES, DES PROTEINES ESSENTIELLES 3.1-La catalyseenzymatique: - les enzymes sont des biocatalyseurs, - les enzymes agissent à faible concentration, -la vitessed'uneréactionenzymatiqueestélevée(~1000 moléculesde substrat/ seconde), - les enzymes agissent dans les conditions biologiques(température et pression compatibles avec la vie). 3.2 Les enzymes: unedouble spécificité: Spécificitésenzymatiquesde substratet spécificité de réaction Spécificités enzymatiques de substrat: une enzyme donnée n'agit que sur un seul substrat(son nom indique la nature du substrat sur lequel elle agit): ainsi une saccharasehydrolysele saccharose, uneamylase, l'amidon,... N.B. sur un substrat, plusieurs enzymes peuvent agir, mais la reconnaissance se fait sur unepartiedifférentede la molécule. spécificitéde réaction: surun substrat, uneenzyme catalyseun seultype de réaction: ainsila tyrosine-hydrolasetransformela tyrosine en L-dopa, la tyrosine-kinaseen tyrosine-phosphate,...
Réaction enzyme-substrat enzyme + substrat complexe ES produits + enzyme 17 3.4- Réaction enzyme-substrat La catalyse enzymatique nécessite la fixation temporaire de l'enzyme sur le substrat (complexee-s) par l'intermédiairedu site actifde l'enzyme: Enzyme + Substrat-> E-S -> E + Produits Le complexe E-S a une durée très limitée
Eau iodée Hypothèse : Le filtrat de pomme de terre contient des enzymes capables de synthétiser de l amidon à partir du glucose 1P (glucose 1 phosphate) 1 2 3 4 3 min 1 Témoin: Glucose 1P + eau 6 min 2 Glucose 1P + 2 ml de filtrat de pomme de terre 9 min 3 Glucose 1P + 1 ml de filtrat de pomme de terre 12 min 4 Glucose 1P + 0,5 ml de filtrat de pomme de terre 15 min Bleu violet = Amidon Brun acajou = Dextrines Jaune = Glucose 18 3.5- Expérience
Conclusion Le tube n 2 montre une évolution lors du test à l eau iodée, la couleur passe du jaune (présence de glucose) au brun acajou (présence de dextrine) puis au bleu violet (présence d amidon) en 15 minutes. Par comparaison avec le tube témoin, on prouve que c est bien le filtrat qui possède la capacité de synthétiser de l amidon (polymère) à partir de molécules simples de glucose. Le filtrat possède des biocatalyseurs (des enzymes) qui accélèrent une réaction chimique (difficile sans leur présence), ici une synthèse de l amidon. La vitesse enzymatique augmente avec la concentration des enzymes présentes (Tube 3 et 4). 19
Acides aminés catalytiques, réagissent avec le substrat pour le transformer en produits au niveau du site actif SUBSTRAT Liaisons faibles Liaisons faibles Acides aminés de reconnaissances, fixent le substrat au niveau du site actif Pont disulfure entre acides aminés soufrés non contigus ENZYME Acides aminés ne faisant pas partie du site actif Acides aminés de reconnaissances, fixent le substrat au niveau du site actif Polypeptide constituant l enzyme Liaison faible 20 6-FORME ET ACTIVITE D'UNE ENZYME 6.1- Forme stéréochimique d'une enzyme -la structure primaire(linéaire) de la protéine-enzyme estdéterminéepar l'enchaînement par liaisons peptidiques des acides aminés constitutifs. -la structure secondaire(spatiale) estréaliséepar les liaisons hydrogène, les liaisons ioniques, les pontsdisulfure, entre acidesaminés. Celle-cipeutêtremodéliséepar traitementinformatique. Par ailleurs: - la biologie moléculaire permet, par mutagenèse, de modifier certains acides aminés prochesdu site actif, pour inhiberouaugmenter la capacitécatalytiqued'uneenzyme. Remarque: la liaison entre un substrat et une enzyme est réversible car les liaisons établies entre les deux sont faibles. On peut utiliser des inhibiteurs irréversibles pour bloquer l action de certaines enzymes.
Conditions du milieu et catalyse enzymatique Activité enzymatique des enzymes digestives en fonction du ph 21 6.2- Conditions du milieu et catalyse enzymatique -le ph: chaqueenzyme possèdeun ph pour lequelson activitéestoptimale, exemple, la pepsinegastriquea un ph optimal de 2, alorsquel amylasesalivairea un ph optimum de 7 et 8 pour la trypsineintestinale. Au ph extrême, le changementd'ionisationdes acidesaminésdu site actif, modifiele fonctionnement de celui-ci. Pour des valeurs plus éloignées, les chaînes latérales sont modifiées: l'enzyme perd sa forme et devient inactive. -la températureaccélèrela vitessede la réactionet agitsurla configuration spatialede l'enzyme. De part et d'autrede la températureoptimale, l'enzymeestdénaturéepour des températures hautes, inactivée de manière réversible pour des températures basses. Certainsmicro-organismesprésententdes enzymes actives aux températuresextrèmes.
Conditions du milieu et catalyse enzymatique 22
La formation du complexe enzyme-substrat 23 L étudede la cinétiqued uneréactionenzymatiquepermetde mesurerla quantitéde produitforméen un temps donnéet doncde mesurerla vitessede la réaction. C estau début de la réactionquela vitesseestla plus rapideet estassimilableàunedroite. C estl étudede cettevitesseinitialeen fonctionde la concentration en substratqui apporte le plus d informations sur la cinétique enzymatique(voir diapo ci-dessus) Si on augmente la concentration de substrat, pour une concentration constante d enzymes, la vitesseinitialeaugmenteet atteint, àpartird unecertainequantitéde substrat, une valeur maximale: les enzymes sont saturées et ne peuvent aller plus vite L existence de cette vitesse maximale et donc de la saturation des enzymes montre qu il y a formation d un complexeenzyme-substrat. Chaquemoléculed enzymese combine àunemoléculede substrat; puisla réactionchimiquea lieu ; et enfin, le complexese dissocie, laissant l enzyme intacte et libérant le ou les produits. On peut mesurer l affinité d une enzyme pour son substrat(la facilité avec laquelle elle se fixe àlui) grâceàunevaleurparticulièreappeléeconstantede Michaelis, définiepar l intersectionentre la courbede cinétiqueenzymatiqueet l ordonnéevmax/ 2. Plus Km est faible, plus l enzyme a d affinité pour son substrat. Inhibiteurscompétitifset non compétitifs: modification Km maispas de Vmax--> compétitif. Modification Vmax mais pas de Km --> non compétitif.
Complexitédes relations entre gènes, phénotypes et environnement 24 24
Relations entre génotypes et phénotypes, cas d un couple d allèles 25 1- Relations entre génotypes et phénotypes, cas d un couple d allèles De nombreux gènes possèdent plusieurs allèles. Dans ce cas, on peut se demander si àchaque couple d allèles définissant le génotype d un individu correspond un phénotype particulier. Reprenons l exemple du gène gouvernant la synthèse de la chaîne ßde l hémoglobine, différents allèles et leur origine par mutations de l allèle le plus répandu sont présentés dans le diapo cidessus. Les individus homozygotes pour l allèle le plus répandu ou pour les allèles correspondant aux mutations 1 et 12 du diapo ci-dessus ont le même phénotype macroscopique (àl échelle de l individu) bien que leur génotypes soient différents. De même, les homozygotes pour les mutations 4 à9 possèdent des génotypes différents qui conduisent tous àun phénotype macroscopique thalassémique. Dans ce cas les phénotypes moléculaires des individus sont différents : ils correspondent àdes chaînes ßanormalement courtes mais de longueurs différentes. En revanche, les phénotypes des individus sont identiques. Les hétérozygotes possédant simultanément l allèle le plus répandu (conduisant àla synthèse d une hémoglobine fonctionnelle HbA) et l allèle correspondant àla mutation 2 (conduisant àla synthèse d hémoglobine drépanocytaire HbS) présentent un phénotype normal pour un taux d O2 atmosphérique normal. Le génotype et le phénotype moléculaire de ces hétérozygotes sont différents de ceux des homozygotes «normaux»; en revanche leurs phénotypes macroscopiques peuvent être identiques. Des situations comparables pourraient être décrites avec d autres gènes polyalléliques. Ces exemples montrent que le phénotype d un individu est le résultat de l expression de ses gènes, et que des phénotypes identiques peuvent correspondre à des génotypes différents. 25
Des phénotypes sous la dépendance de plusieurs gènes-la pigmentation de la peau 26 2-Des phénotypes sous la dépendance de plusieurs gènes 2.1- Exemple 1: l albinisme L albinisme est une anomalie héréditaire qui se traduit par l absence de mélanines, pigments normalement présents dans certaines cellules de la peau, du système pileux et des yeux. Cette anomalie est connue chez de nombreux mammifères Les mélanines sont synthétisées à partir d un précurseur courant, l acide aminé Tyrosine, grâce à une série de réactions chimiques). Par ailleurs, les mélanines sont synthétisées par des cellules spécialisées, les mélanocytes, et sont ensuite transportées vers d autres cellules, les kératinocytes de la peau et des cheveux par exemple. Ainsi, la pigmentation dépend à la fois de la biosynthèse des mélanines (voie métabolique catalysée par plusieurs enzymes donc sous le contrôle de plusieurs gènes) et de leur transport et dispersion dans certaines cellules de la peau ou du système pileux (étapes également sous le contrôle de plusieurs gènes). L apparition du phénotype albinos résulte généralement de l interruption du processus de pigmentation chez des individus possédant deux allèles mutés d un même gène et conduisant àla synthèse d un polypeptide non fonctionnel impliqué dans le processus de pigmentation. Il est alors possible d expliquer les cas bien connus par les généticiens de couples d albinos ayant tous leurs enfants normalement pigmentés. Dans ces couples un des parents de phénotype albinos est porteur deux allèles mutés d un gène alors que l autre parent également de phénotype albinos est porteur de deux allèles mutés d un autre gène du processus de pigmentation. Chacun de leurs enfants est hétérozygote pour ces deux gènes et possède ainsi pour chacun d eux un allèle muté conduisant à la synthèse d un polypeptide non fonctionnel et un allèle permettant la synthèse d un polypeptide fonctionnel. Aucune étape du processus de pigmentation n est bloquée. L enfant est normalement pigmenté. Les généticiens parlent dans ce cas de complémentation fonctionnelle. Bien que de même phénotype, les parents possèdent des génotypes différents et chacun d eux fourni àson enfant l allèle «fonctionnel»(permettant la synthèse d une protéine fonctionnelle ) que l autre ne possède pas. Cet exemple montre que le phénotype d un individu peut résulter de l expression de plusieurs gènes qui interviennent successivement dans le temps. Cette situation est beaucoup plus fréquente que ne le suggère l étude des cas «scolaires» pour lesquels un phénotype est le résultat de l expression d un seul gène. 26
Des phénotypes sous la dépendance de plusieurs gènes-les groupes sanguins 27 exemple 2: les groupes sanguins Les groupes sanguins A, B, AB et O sont définis par la présence, àla surface des globules rouges, de «marqueurs»situés au niveau de la membrane plasmique des globules rouges. Ces marqueurs sont des molécules formées d une chaîne de molécules glucidiques fixée sur une molécule lipidique (cf doc1). Les individus du groupe A portent au niveau de leurs hématies des molécules de type A, les individus du groupe B, des molécules du type B, les individus du groupe AB des molécules de type A et de type B et les individus du groupe O, des molécules du type H (ils n ont ni les molécules de type A, ni les molécules de type B). La synthèse de cette chaîne glucidique se réalise en plusieurs étapes, chacune d elles étant catalysée par une enzyme spécifique. Seules les deux dernières étapes sont impliquées dans l expression spécifique d un groupe sanguin (cf doc 2). -L avant dernière étape est sous la dépendance d un gène H dont on connaît deux allèles : -l allèle H code pour une enzyme fonctionnelle (H), -l allèle h code pour une enzyme non fonctionnelle (h). Chaque individu possède deux allèles : si les deux allèles sont identiques, les génotypes possibles sont H//H et h//h. Un individu H//H synthétise l enzyme H et donc le marqueur H, un individu h//h ne synthétise pas l enzyme H et donc pas le marqueur H. Par contre, un individu qui possède les deux allèles H et h synthétise le marqueur H. L allèle H est appelédominant alors que l allèle h qui ne s exprime pas au niveau du phénotype moléculaire est dit récessif. -La dernière étape est sous la dépendance d un autre gène (gène ABO) dont on connaît trois allèles : -l allèle A code pour une enzyme fonctionnelle (A), -l allèle B code pour une enzyme fonctionnelle (B), -l allèle O code pour une enzyme non fonctionnelle.. 27
28 Comment est fabriqué le marqueur B? Le marqueur A? (marqueurs, enzymes impliquées, molécules ajoutées ). Pour fabriquerle marqueurb, le précurseuresttransforméen marqueurh grâceàl actionde l enzymeh (ajoutd un fucose, voirdoc 1) puisle marqueurh esttransforméen marqueurb grâceàl actionde l enzymeb (ajoutd un galactose). Pour fabriquerle marqueura, le précurseuresttransforméen marqueurh égalementtoujoursgrâceàla mêmeenzyme H. Puis, le marqueurh esttransforméen marqueura par l enzymea). Remarque : les transformations se font dansle cytoplasmepuisles marqueursa et/oub vontse placer dansla membrane cytoplasmique. Proposez deux explications possibles à un phénotype«groupe sanguin O» en vous appuyant sur l ensembledes documents. On saitquela fabrication des marqueursdu groupesanguin(a, B ouabsent dansle phénotypeo) fait appelàau moinsdeuxétapesde transformations catalyséespar des enzymes. Ainsi, pour chaqueenzyme nécessaire, ily a un gènequi permetla synthèsede l enzyme. Il y a deuxsolutions possiblespour avoirun phénotypeo : Premier génotype possible : H//h (ou H//H) et O//O GèneH : l individupossèdeles allèlesh//h ouh//h. CommeH>h, l enzymefabriquéeestl enzymeh fonctionnelle. De ce fait, le précurseur peut être transformé en marqueur H puisque l enzyme H est présentepour catalysercetteréaction. GèneABO : A et B >O doncpour êtrede groupeo quandle marqueurh estdéjàfabriqué, ilfautposséder l allèleo en 2 exemplairescar ilestrécessif. Le génotypeiciestdonco//o. Deuxième génotype possible : h//h et A//A GèneH : l individupossèdeles allèlesh//h. De cefait, ilfabriqueuneenzyme H non fonctionnellequi ne peutpas catalyserla transformation du précurseuren marqueurh. Si cetteétapene se fait pas, la synthèsene peutse poursuivreet iln yaura aucunmarqueur(a ici) surla membrane plasmique. De ce fait, le phénotypeesto. CONCLUSION : DES GENOTYPES DIFFERENTS PEUVENT CONDUIRE AU MEME PHENOTYPE. 28
Influence de l environnement sur les conséquences phénotypiques de l expression génétique Modifications de la structure de l hémoglobine S en fonction du taux d O2 29 3-Influence de l environnement sur les conséquences phénotypiques de l expression génétique, quelques exemples. Conditions d apparition du phénotype drépanocytaire chez des individus hétérozygotes les individus hétérozygotes possédant les allèles HbA et HbS ont un phénotype «normal»lorsque le taux d O2 atmosphérique est «normal». En revanche, lors d une activitéphysique importante en haute altitude ou d un voyage aérien non pressurisé, ces individus peuvent être en danger en raison de l apparition de symptômes caractéristiques du phénotype drépanocytaire. Comme le montre le diapo ci-dessus, seule l hémoglobine HbS désoxygénée s agrège pour constituer des fibres qui déforment les hématies et causent de multiples accidents circulatoires. De plus, la vitesse de polymérisation de l hémoglobine HbS est proportionnelle àla concentration en désoxyhémoglobine S. Chez les hétérozygotes, la concentration d HbS est environ deux fois moins importante que chez les homozygotes. Ainsi, lorsqu un hétérozygote est placédans les conditions atmosphériques normales, la vitesse de polymérisation de ses molécules d HbS est trop faible pour que la polymérisation conduisant àla déformation des hématies se produise pendant le temps de transit du sang des capillaires aux alvéoles pulmonaires. Dans des conditions caractérisées par un appauvrissement du taux d O2, la quantité d HbS désoxygénée augmente, entraînant une augmentation de sa vitesse de polymérisation ce qui peut s accompagner de la formation d hématies en forme de faucille et expliquer l apparition des symptômes drépanocytaires. 29
Influence de l environnement sur les conséquences phénotypiques de l expression génétique 30 Effet de l alimentation sur la phénylcétonurie La phénylcétonurie est une maladie qui entraîne une arriération mentale des individus atteints. La phénylalanine est un acide aminéprésent dans la plupart des protéines animales et en particulier dans celle du lait. Normalement, la phénylalanine est transforméen tyrosine sous l action d une enzyme : la phénylalanine hydroxylase. La tyrosine est àson tour impliquée dans différentes voies métaboliques comme celle des mélanines. Chez les individus possédant deux allèles mutés du gène contrôlant la synthèse de la phénylalanine hydroxylase, la production de molécules d une enzyme non fonctionnelle entraîne une accumulation de la phénylalanine. Une voie métabolique parallèle se crée, conduisant àla formation d acide phénylpyruvique. L acide phénylpyruvique est une molécule toxique pour les cellules cérébrales, ce qui explique l arriération mentale chez ces individus. Par ailleurs l acide phénylpyruvique est éliminépar les reins et est donc décelable dans les urines, d oùle nom donnéàcette maladie. Actuellement, le dépistage précoce de cette anomalie d origine génétique permet, grâce àun traitement uniquement diététique, d assurer un développement mental quasiment normal aux individus homozygotes pour l allèle muté. Ce traitement, d une durée de 6 à12 ans, consiste en un régime appauvri en phénylalanine. Ce traitement limite l accumulation de phénylalanine sans empêcher la synthèse des protéines contenant cet acide aminé. Dans ce deuxième exemple, l effet de l allèle mutédu gène contrôlant la synthèse de la phénylalanine hydroxylase est liéàla qualitéde l alimentation. Des individus de même génotype pourront ou non selon leur alimentation être atteint de phénylcétonurie. 30
Influence de l environnement sur les conséquences phénotypiques de l expression génétique 31 Exemple 3 Document1 : Il décrit un phénotype macroscopique et l influence de la température dans le cas du lapin himalayen. Document 2 : Il met en évidence l importance de la tyrosinase dans la réalisation de phénotypes alternatifs. Document 3 : Il montre la modulation de l activitéd une tyrosinase par un facteur de l environnement. Document 4 : Il relie génotype et phénotype. 31
Conclusion (1) 32 32
Conclusion (2) 33 33