Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 3 LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES Bernadette Féry Automne 2004

À la recherche du matériel génétique -. Expérience de Griffith À la recherche du matériel génétique - Expérience de Griffith (1928) - Expérience d'Hershey et Chase (1952)

L'expérience de Griffith (1928) Au début des années 1940 on savait que les chromosomes étaient constitués d'ADN et de protéines mais on croyait que les protéines étaient le matériel héréditaire. Deux expériences majeures mènent les chercheurs à reconnaître leur erreur L'expérience de Griffith (1928) 2 souches bactériennes de Steptococcus pneumoniae Une souche R non pathogène, parce qu'elle est dépourvue de capsule Une souche S pathogène, à cause de sa capsule qui la protège du système imunitaire de ses victimes http://pedagogie.ac-aix-marseille.fr/geniebio/biomol/docs/griffith.htm

L'expérience de Griffith (suite) L’expérience comme telle Conclusion Les bactéries vivantes non pathogènes ont capté quelque chose des bactéries pathogènes mortes et se sont transformées en bactéries pathogènes L'agent de transformation est héréditaire puisque les bactéries transformées en pathogènes se reproduisent et forment d'autres bactéries pathogènes Le matériel héréditaire n'est pas de nature protéique puisque la chaleur dénature les protéines et que les bactéries pathogènes injectées dans l'expérience ont été tuées par la chaleur Serait-ce que le matériel héréditaire n'est pas constitué de protéines ? ? Campbell : 301 (1eéd. française) — Figure 15.2 Campbell : 311 (2eéd. française) — Figure 16.1

L'expérience d'Hershey et Chase (1952) Deux groupes de bactéries furent placés en présence de 2 groupes de virus Un groupe de virus avait ses protéines marquées avec du soufre radioactif 35 (35S) Un groupe de virus avait son ADN marqué avec du phosphore radioactif 32 (32P)

L'expérience d'Hershey et Chase (suite) Campbell : 303 (1eéd. française) — Figure 15.3 Campbell : 312 (2eéd. française) — Figure 16.2 Figure 15.3 : 303 L’expérience comme telle Conclusion Seules les bactéries en présence de virus à ADN marqué deviennent radioactives Le matériel héréditaire injecté par les virus est de l'ADN Les protéines du virus demeurent à l'extérieur Le matériel héréditaire n'est pas constitué de protéines

Les biologistes, maintenant convaincus que le support génétique est de l'ADN, se lancent à la recherche de la structure de l’ADN Watson et Crick proposent un modèle de l'ADN basé sur la radiographie de l'ADN faite par Rosalind Franklin Campbell : 305 (1eéd. française) — Figure 15.5 Campbell : 313 (2eéd. française) — Figure 16.4 Rosalind Franklin et sa radiographie de l'ADN par diffraction de rayons X Morte à 38 ans d'un cancer Son équipe a reçu le prix Nobel en 1962 mais pas elle !!!

James Watson et Francis Crick devant leur modèle de l'ADN (la double hélice) Campbell : 300 (1eéd. française) — Figure 15.1 Campbell : 309 (2eéd. Française) Watson Crick WATSON, J. D. & CRICK, F. H. C. , (1953) « A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid ». Nature, 171, p. 737-738.

Découverte du lien entre les gènes et les protéines Wilhem Johannsen dénomme « gènes » les particules de l'hérédité proposées par Mendel puis redécouvertes au début des années 1900. En 1909 Archibald Garrod émet l’hypothèse « un gène-un enzyme » à partir de l'étude d'une anomalie métabolique humaine : l'alcaptonurie. En 1909 George Wells Beadle et Edward Tatum prouvent la relation un « gène-un enzyme » chez Neurospora crassa, un champignon filamenteux. En 1941

Archibald Garrod est le premier à faire le lien entre les gènes et les protéines. En1909. 40 ans avant que l'ADN ne soit reconnu comme étant le matériel héréditaire Ses observations sur des maladies héréditaires Il observe la fréquence de l’alcaptonurie dans diverses familles Il constate que cette maladie se transmet selon les règles mendéliennes : le patient doit avoir reçu 2 gènes de la maladie Il suggère que ces malades ont hérité d'une incapacité de produire une enzyme particulière (Il appela ce type d'affection : les erreurs innées du métabolisme) Son hypothèse Les gènes contiennent l'information pour la formation d'enzymes particulières Alcaptonurie Affection bénigne où l'urine noircit rapidement à l’air

L'expérience de George Beadle et Edward Tatum prouve que l'hypothèse de Garrod était juste. En1941. Le champignon se reproduit de façon asexuée par conidies Le champignon se reproduit de façon sexuée par fécondation de cellules haploïdes suivi de la méiose

Expérience Beadle et Tatum Neurospora crassa se cultive aisément sur un milieu défini simple Milieu simple (milieu minimal) Sucre + sels inorganiques + composé ammoniacal (source d'azote) + biotine (une vitamine) À partir de ce milieu minimal, la moisissure produit normalement toutes les molécules dont elle a besoin par l'intermédiaire de ses voies métaboliques Dépôt de cellules asexuées Boîte de pétri contenant le milieu de croissance

Expérience Beadle et Tatum Début de l’expérience Production de mutants par irradiation des conidies Mutants ne pouvant se développer sur le milieu minimal mais pouvant le faire sur un milieu défini complet Milieu complet Milieu minimal + 20 acides aminés + quelques autres nutriments Sélection de mutants particuliers Prélèvement de mutants vivant sur le milieu complet et répartition dans divers milieux minimaux enrichis d’un seul composant à la fois

Sélection de 4 souches mutantes incapables de synthétiser l'arginine (un acide aminé), chacune pour une raison différente Ces 4 souches se développent si on ajoute de l'arginine au milieu minimal Ces 4 souches se développent si on ajoute l'intermédiaire métabolique que leur déficience leur empêche de fabriquer au milieu minimal Le regroupement des expériences permet de voir la correspondance entre une mutation génétique donnée et la disparition d'une fonction enzymatique nécessaire à l'accomplissement d'une voie métabolique Expérience Beadle et Tatum Campbell : 318 (1eéd. française) — Figure 16.2 Campbell : 329 (2eéd. française) — Figure 17.1

Déductions des expériences de Beadle et Tatum sur la moisissure du pain Des mutations peuvent conduire à la modification d'enzymes qui ne fonctionnent plus correctement Un gène a pour fonction de commander la production d'une enzyme spécifique (une protéine) L'hypothèse de Beadle et Tatum un gène-un enzyme est devenue un gène-un polypeptide Pourquoi ? Les gènes déterminent les protéines en général, pas juste les enzymes Certaines protéines sont faites de plusieurs chaînes polypeptidiques

La synthèse des protéines Les protéines sont codées dans les gènes

Qu’est-ce qu’un gène ? Gène Portion définie d'ADN essentielle à la fabrication d'une molécule d'ARN Gène de structure Gène dont l'ARN produit sert à fabriquer une chaîne polypeptidique (une protéine) Autres gènes Il existe d’autres gènes ayant d’autres fonctions

« Anatomie » du gène de structure Formé du brin codant et du brin non codant Le brin codant sert de matrice pour la production d’un ARN messager qui sera transformé en protéine Les 2 brins servent de matrice lorsque l'ADN se réplique Le code du gène repose sur les génons Matrice pour produire un ARN m Un brin codant pour un gène donné peut servir de brin non codant pour un autre gène Génon Triplet de nucléotides ADN codant pour un acide aminé particulier Gène Regroupement de génons codant pour une protéine particulière Ponctuation des gènes Délimité des autres gènes par des génons de départ ou d'initiation et des génons d'arrêt ou de terminaison Complète la molécule d'ADN et assure sa stabilité Chaque génon détermine la mise en place d'un acide aminé dans la chaîne polypeptidique (sauf le génon d'arrêt)

La synthèse des protéines se fait en deux étapes : Transcription Traduction

Une protéine se construit en 2 étapes Transcription (dans le noyau) La transcription d'un gène de structure produit de l’ARN prémessager qui doit subir un processus de maturation La transcription d'autres gènes produit des ARNt La transcription d'autres gènes produit des ARNr qui s'associent à des protéines ce qui forme les ribosomes (au niveau du nucléole) L'ARNm, les ARNt et les ribosomes sortent du noyau par les pores nucléaires et s’associent dans le cytoplasme pour fabriquer la protéine Une protéine se construit en 2 étapes Traduction (dans le cytoplasme) Transformation de l'ARNm en une chaîne d’acides aminés (protéine) Un ribosome se lie à un ARNm puis avance graduellement le long du brin tout en attirant à lui les ARNt porteurs des acides aminés. Lorsque tout l'ARNm a été lu par le ribosome, la protéine est terminée Campbell : 340 (1eéd. française) — Figure 16.24 Campbell : 350 (2eéd. française) — Figure 17.25

LA TRANSCRIPTION (Première étape de la LA TRANSCRIPTION (Première étape de la synthèse protéique) La transcription d’un gène de structure produit de l’ARNmessager (ARNm)

Transcription (vue générale) Copie du brin codant d'un gène de structure en ARN prémessager Grâce à l’appariement des nucléosides tri-P d'ARN (synthétisés dans le cytoplasme) avec les bases complémentaires du brin codant d'ADN A avec U (2 liens H) G avec C (3 liens H) Depuis le génon de départ jusqu'au génon d'arrêt Avec l'aide de l’enzyme ARN polymérase et de l’énergie des nucléosides triphosphate (ATP-GTP-CTP-UTP) Les génons du brin codant sont recopiés en codons Codon Triplets de nucléotides ARN complémentaires aux génons Liaisons phosphodiester entre les nucléotides du brin d’ARNm

Figure 16.7 : 323 Campbell : 323 (1eéd. française) — Figure 16.7

Transcription (Quelques détails) Lorsque la cellule a besoin d'une protéine particulière, l'ARN polymérase se lie au promoteur du gène Promoteur Plusieurs douzaines de nucléotides en amont du gène ainsi que le site d'initiation (génon de départ) L'enzyme déroule le gène et le recopie en ARN au fur et à mesure qu’il avance le long du gène Campbell : 323 (1eéd. française) — Figures 16.7 et 16.8 Campbell : 334 (2eéd. française) — Figure 17.6

Le résultat de la transcription d’un gène de structure est un ARN prémessager qui subit des coupures puis se fait ajouter une tête et une queue Campbell : 336 (2eéd. française) — Figure 17.9 Campbell : 335 (2eéd. française) — Figure 17.8

L’ARN messager est de forme linéaire Par transcription de gènes de structure de la chromatine Molécule contenant une série de codons complémentaires aux génons du gène de structure Rôle de l’ARNm Dicter la séquence des acides aminés d'un polypeptide Campbell : 332 (2eéd. française) — Figure 17.4 Liste des 64 codons d’ARNm Liste des codons d’ARNm (64 codons d'ARNm ont été identifiés par les chercheurs) 61  codent un acide aminé 1  code la méthionine et sert de codon de départ 3  ne codent pas d’acides aminés et servent de codons d’arrêt Redondance du code Plusieurs codons codent le même acide aminé bien qu’un seul codon suffit pour sa mise en place dans la protéine La redondance minimise les effets néfastes des mutations

LA TRANSCRIPTION La transcription d’autres gènes de la chromatine produit des ARN de transfert (ARNt)

L’ARN de transfert a la forme d’un trèfle si on écrase la molécule Par transcription d’environ 45 gènes de la chromatine Chaque molécule d’ARNt se replie par appariement de bases complémentaires Chaque ARNt contient 3 boucles libres ayant chacune un rôle précis à jouer Rôles d’une molécule d’ARNt Se lier à un acide aminé spécifique et porter cet acide aminé à l'intérieur d’une protéine en formation Anticodon Triplet de nucléotides d’ARNt complémentaire à un codon d’ARNm Campbell : 326 (1eéd. française) — Figure 16.10 Campbell : 339 (2eéd. française) — Figure 17.13

Comment une ARNt se lie-t-il à son acide aminé spécifique ? Grâce à un l’enzyme aminoacyl-ARNt synthétase Avec l’énergie de l’adénosine triphosphate (ATP) Campbell : 327 (1eéd. française) — Figure 16.11 Campbell : 340 (2eéd. française) — Figure 17.14

Comment une ARNt transporte-t-il son acide aminé spécifique au bon endroit dans la protéine en formation ? L'ARNt reconnaît la séquence complémentaire d’un codon (sur un brin d’ARNm) et s’y fixe par son anticodon via des liaisons hydrogène Comment déterminer l'acide aminé relié à un certain ARNt ? Il faut chercher le codon qui correspond à l’anticodon de l’ARNt puis vérifier quel acide aminé correspond à ce codon Le codon GCU dans la liste des codons (p.321 ou 332) code pour l’alanine

Il existe environ 45 sortes d’ARNt différents dans la cellule et ceci est suffisant pour reconnaître les 61 codons codants de l’ARN messager. Pourquoi ? Parce que l'ARNt contient des bases azotées inhabituelles comme l'inosine (*) L'inosine est une base polyvalente qui peut s'apparier avec A, U ou C

LA TRANSCRIPTION La transcription d’autres gènes de la chromatine produit de l’ARN ribosomique (ARNr) L’ARNr s’associe ensuite à des protéines ce qui forme un ribosome (processus qui se produit dans le nucléole)

L’ARN ribosomique constitue une part des ribosomes Quatre sortes d’ARN ribosomique sont formées par transcription d'un gène de la chromatine et de 3 gènes du nucléole Les 4 filaments d'ARNr sont associés à des protéines par le nucléole en un ribosome Rôle général des ribosomes Lieu de la synthèse d’une chaîne polypeptidique (une protéine) Rôles spécifiques des ribosomes Fixer l’ARNm Lire les codons d’ARNm Fixer les ARNt chargés de leurs acides aminés Favoriser la formation des liens peptidiques entre les acides aminés Figure 16.2 : 328 Campbell : 341 (2eéd. française) — Figure 17.15

LA TRADUCTION (Deuxième étape de la synthèse protéique)

Traduction (vue générale) Transformation du message de l’ARNm en une chaîne polypeptidique Grâce à l’association des codons de l’ARNm aux anticodons des ARNt afin d'aligner les acides aminés de la chaîne polypeptidique (protéine) Dans le ribosome Depuis le codon de départ jusqu'au codon d'arrêt Avec l'aide d’un enzyme du ribosome : la peptidyl transférase et l’énergie de la guanosine triphosphate (GTP), une molécule analogue à de l’ATP Campbell : 338 (2eéd. française) — Figure 17.12 Campbell : 3438 (2eéd. française) — Figure 17.18

Traduction (Quelques détails) Le ribosome s'attache à l'ARNm au niveau du codon de départ. Les deux premiers ARNt chargés de leur acide aminé respectif s’approchent du ribosome. Les ARNt s'apparient aux deux premiers codons par leurs anticodons complémentaires (via des liaisons H) Un lien peptidique se forme entre les deux premiers acides aminés de la chaîne polypeptidique en formation. Ceci produit un dipeptide attaché au deuxième ARNt.

Le ribosome avance d'un codon ce qui libère le premier ARNt. Il y a maintenant une autre place dans le ribosome pour un autre ARNt. L'ARNt no 3, porteur de sa charge d'acide aminé, s'apparie par son anticodon au troisième codon. Un lien peptidique se forme entre les acides aminés no 2 et no 3. Ceci produit un tripeptide attaché au troisième ARNt.

Le ribosome avance d'un codon ce qui libère l'ARNt no 2. L'ARNt no 4 porteur de son acide aminé s'apparie par son anticodon au quatrième codon de l'ARNm. Un lien peptidique se forme entre les acides aminés no 3 et no 4. La chaîne polypeptidique en formation est attachée au quatrième ARNt. La chaîne contient maintenant quatre acides aminés.

Le ribosome avance et lit le codon d'arrêt. Une protéine de terminaison vient se fixer en lieu et place d'un ARNt. La protéine de terminaison hydrolyse le lien qui retient la chaîne d'acides aminés à l'ARNt. Tous les constituants associés durant la traduction sont libérés (chaîne polypeptidique, dernier ARNt, ARNm, ribosome et protéine de terminaison)

Quelques précisions sur la synthèse protéique Les 3 types d’ARN sont des outils qui servent plusieurs fois avant d'être dégradés Les ARNt et les ribosomes sont semblables chez tous les eucaryotes Les ARNm diffèrent entre les espèces car ils ne sont issus de gènes différents Des ARNm différents amènent la production des protéines spécifiques à chaque espèce Une molécule d'ARNm se fait généralement traduire par plusieurs ribosomes simultanément Un polyribosome Campbell : 331 (1eéd. française) — Figure 16.16 Campbell : 344 (2eéd. française) — Figure 17.20 Pendant la synthèse, et après, la chaîne polypeptidique se replie spontanément en adoptant sa conformation native Avant de devenir véritablement fonctionnelle, la chaîne subit des modifications : ajout de glucides, lipides, phosphates ou autres, coupure des acides aminés du début, fragmentation en deux ou plusieurs sous- chaînes, regroupement avec d'autres chaînes polypeptidiques …

La synthèse des protéines La destinée des protéines

La destinée des protéines fabriquées par les ribosomes libres Si la protéine est fabriquée par un ribosome libre du cytosol, elle demeure dans celui-ci et y exerce ses fonctions Campbell : 127 (1eéd. française) — Figure 7.13

Les protéines fabriquées par les ribosomes liés au REG ont 3 destinées Elles s'incorporent aux membranes du REG Elles transitent dans le REG puis dans l'AG et enfin, sortent de la cellule par sécrétion cellulaire Elles transitent dans le REG puis dans l'AG avant de rejoindre les lysosomes

Le code génétique

Le code génétique Code génétique Ensemble des génons codant les acides aminés des protéines Qualifié de code car il n'est pas directement lisible en protéine Il faut le décrypter en ARNm puis en ARNt porteurs d'acides aminés Le code génétique est quasiment universel Presque tous les vivants (éléphant, chien, grenouille, lapin, etc.) ont les mêmes génons codant pour les mêmes acides aminés Quelques exceptions Certains unicellulaires comme les paramécies, les mitochondries et les chloroplastes ont quelques génons qui ne codent pas les mêmes acides aminés

Les mutations et leurs conséquences

Les mutations Mutation Modification héréditaire de l'ADN qui peut être transmise aux descendants lorsqu'elle se produit dans les cellules des organes reproducteurs (cellules de la lignée germinale qui produisent les gamètes) Mutation chromosomique Mutation qui affecte les chromosomes : un nombre anormal, une cassure, un réarrangement, etc. Mutation ponctuelle Mutation qui touche un ou quelques gènes seulement (ajout ou retrait de quelques nucléotides, remplacement d'un nucléotide par un autre …)

Les mutations ponctuelles Mise en situation Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par substitution d'une base Le génon CCG est remplacé par le génon CCA Le codon GGC est remplacé par le codon GGU L'acide aminé glycine se place quand même dans la protéine Mutation silencieuse Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par substitution d'une base Le génon CCG est remplacé par le génon TCG Le codon GGC est remplacé par le codon AGC L'acide aminé sérine se place dans la protéine au lieu de la glycine Mutation faux-sens Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par substitution d'une base Le génon TTC est remplacé par le génon ATC Le codon AAG est remplacé par le codon UAG Le nouveau codon est un signal d'arrêt qui entraîne une protéine plus courte Mutation non-sens Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par retrait (délétion) d'une base Tous les génons à partir du point de retrait sont modifiés Exemple Le génon AAA est remplacé par le génon AAC Les codons issus des génons modifiés sont différents Le codon UUU est remplacé par le codon UUG Les acides aminés issus des codons modifiés sont différents aussi Décalage du cadre de lecture produisant un long faux-sens Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par insertion d’une base Une base s’ajoute Tous les génons à partir du point d’ajout sont modifiés Exemple Le génon TTC est remplacé par le génon ATT Les codons issus des génons modifiés sont différents Le codon AAG est remplacé par le codon UAA Le premier des nouveaux codons est un signal d'arrêt qui entraîne une protéine plus courte Un non-sens immédiat Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Les mutations ponctuelles Mutation par délétion d’un génon complet Une génon est retiré Un génon complet est retiré. Un codon complet est retiré également. La protéine contient un acide aminé en moins. Décalage restreint du cadre de lecture Campbell : 337 (1eéd. française) — Figure 16.22 Campbell : 348 2. française) — Figure 17.24

Effet des mutations sur les protéines Elles entraînent des changements dans l'ADN, dans l'ARNm qui en découle et dans la protéine issue de l'ARNm. La conformation native ne sera plus tout à fait la même et la fonction de la protéine sera partiellement, ou complètement, altérée. Plus rarement, la protéine peut être améliorée. Dans ce cas, c'est une bonne mutation. Exemples de mutations Le remplacement de l'acide glutamique par la valine dans l'hémoglobine produit une maladie mortelle lorsque transmise par les deux parents : l'anémie à hématies falciformes. Il existe une mutation qui protège certains Américains contre le Sida. Une mutation permet à certains Italiens de manger des aliments riches en graisses sans qu'ils ne souffrent d'un excès de cholestérol.

Les mutations Mutagenèse et mutagènes Apparition d'une mutation Mutagène Agent capable d'induire une mutation Agents mutagènes Rayons X, rayons ultraviolets, agents radioactifs, médicaments comme l'aspirine, produits chimiques comme les insecticides, les herbicides, le benzène … Les foetus de trois mois et moins sont extrêmement sensibles à l'action tératogène (activité mutagénique) des différents produits car leurs tissus et leurs organes sont en formation. Une femme enceinte doit protéger son bébé en évitant de s'exposer à tout ce qui n'est pas naturel (alcool, tabac,drogue, médicaments …

Régulation des gènes chez les procaryotes

Contrôle de l’expression des gènes chez les procaryotes À compléter plus tard

FIN DU COURS 3