DU GENOTYPE AU PHENOTYPE Les différents niveaux de définition du phénotype Exemple de la drépanocytose Du génotype au phénotype Structure des protéines Les enzymes, protéines fonctionnelles Exemple de la phénylcétonurie L’action d’une enzyme Vitesse de réaction enzymatique Influence de l’environnement sur l’activité enzymatique

DU GENOTYPE AU PHENOTYPE La biosynthèse des protéines Notion de gène La transcription La traduction Complexité du phénotype Polyallélisme d’un gène Origine polygénique d’un phénotype Intervention de l’environnement dans le phénotype

Phénotype clinique de la drépanocytose La drépanocytose est une maladie héréditaire particulièrement fréquente dans les population d'origine africaine subsaharienne, des Antilles, d'Inde, du Moyen-Orient et du bassin méditerranéen. On estime que 50 millions d'individus en sont atteints dans le monde. C'est la première maladie génétique en France, et probablement dans le monde. SYMPTOMES - Anémie sévère, toux - Fièvre, essoufflement - Grande faiblesse - Troubles respiratoires, cardiaques et circulatoires - Le sang circule peu ou pas dans les capillaires - Mort des cellules de l’organisme par privation d’O2 et de nutriments - Lésions des tissus

Phénotype cellulaire de la drépanocytose - Globules rouges en forme de faucille (falciforme) - Globules rouges rigides, obstruant les capillaires - Globules rouges ronds (disque biconcave) déformables

Phénotype moléculaire de la drépanocytose - Hb A globulaire - Soluble - Acide aminé n° 6 : acide glutamique - Hb S s’agrègent en longues fibres rigides qui forment un réseau qui précipite dans la cellule - Hb S insoluble - Acide aminé n° 6 : valine

Du génotype au phénotype moléculaire

Du génotype au phénotype

Séquence primaire d’une protéine Un polypeptide est une macromolécule formé par un nombre important d’acides aminés (de 50 à 100). La séquence des acides aminés d’un polypeptide (d’une protéine) constitue sa séquence primaire.

Structure 3D d’une protéine

Phénotype de la phénylcétonurie La phénylcétonurie est une maladie génétique grave en relation avec un trouble du métabolisme de la phénylalanine (acide aminé d'origine alimentaire). Dans les cellules du foie, une enzyme, la phénylalanine hydroxylase (PAH), permet de transformer la phénylalanine en excès en tyrosine (un autre acide aminé). Chez les individus phénylcétonuriques, le gène responsable de la PAH est muté. La transformation de la phénylalanine ne peut se produire et la phénylalanine s'accumule alors dans le sang alors que le taux de tyrosine est abaissé. L'excès de phénylalanine dans le sang est toxique pour le système nerveux, et perturbe le développement du cerveau de l'enfant, entraînant un retard mental.

Définition d’une enzyme Les enzymes sont des protéines qui interviennent dans le déroulement des réactions chimiques, nécessaires à la réalisation du phénotype. Ce sont des catalyseurs biologiques, qui accélèrent la vitesse d’une réaction, qui agissent à faible dose et qui sont intactes après la réaction. Une enzyme est spécifique d’une seule substance ou d’un groupe de composés possédant en commun, une architecture moléculaire très voisine. Exemple : La saccharase agit sur le saccharose Une enzyme est spécifique d’une réaction : elle catalyse un seul type de réaction chimique. Exemple : La saccharase catalyse une réaction d’hydrolyse

Mode d’action d’une enzyme Les enzymes agissent en formant un complexe spécifique [ES] L’action enzymatique se déroule en deux étapes : S + E  [ES]  E + P

Mode d’action d’une enzyme

Site actif d’une enzyme Le site actif a une fonction double : L’enzyme comme toutes les protéines a une structure tridimensionnelle qui dépend de l’enchaînement des acides aminés dans la chaîne de polypeptides. Le site actif est une zone en forme de poche ou sillon essentiel pour la réalisation du complexe [ES]. Cette zone est formée par le rapprochement de certains acides aminés initialement éloignés dans la chaîne polypeptidique. Le site actif a une fonction double : Le site de reconnaissance en liaison avec la spécificité de substrat est la partie qui reconnaît le substrat et se lie à lui par des liaisons faibles. Le site catalytique en liaison avec la spécificité d’action est la partie qui catalyse la réaction, impliquant 2 à 3 acides aminés ; site lié à l’activité réactive de ces acides aminés avec certains atomes du substrat.

Vitesse de réaction enzymatique

Influence de la concentration en enzyme Etude de la courbe Vi = f ([E]) avec [S] = constante. La courbe est une droite. On constate que : Vi augmente avec l’augmentation de la [E]. Plus grand est le nombre de molécules d’enzymes, plus grande est la probabilité qu’une molécule d’enzyme fixe une molécule de substrats à un instant donné.

Influence du pH La catalyse enzymatique n’est permise que dans une gamme de pH compatible avec la vie. Chaque enzyme a une activité maximale à un pH donné : elle possède un « pH optimal ». Le pH modifie les liaisons faibles responsables de la forme tridimensionnelle d’une enzyme.

Influence du pH

Influence de la température Les enzymes présentent un optimum thermique d’action. Au dessus et en dessous de cet optimum, l’activité enzymatique est ralentie. Les effets de la température sont variables : - la vitesse de réaction augmente avec la température ; car il y a augmentation de l’agitation des molécules qui permet une plus grande probabilité de rencontre entre l’enzyme et le substrat. - quand la température atteint 50°C à 60°C, l’activité catalytique chute brutalement. Ce second effet est dû à une dénaturation thermique de la structure de la protéine enzymatique et donne sa configuration spatiale aux températures élevées. L’altération du site actif ne permet plus la catalyse.

Ex : Séquence du gène de la chaîne ß de l’hémoglobine Définition d’un gène Un gène correspond à un fragment d’ADN qui contrôle la séquence d’un polypeptide. Chaque gène se caractérise par le nombre et la séquence des nucléotides qui le constituent. Ex : Séquence du gène de la chaîne ß de l’hémoglobine

Composition d’un gène L’ADN est constitué de 4 nucléotides : Adénine, Thymine, Cytosine, Guanine. La succession de ces nucléotides au sein d’une région de l’ADN détermine un gène. Les nucléotides sont associés par paire au sein de la double hélice d’ADN : Une Adénine est associée à une Thymine et une Cytosine est associée à une Guanine

Localisation d’un gène Chaque gène se situe en un endroit précis d’une molécule d’ADN et donc en un endroit précis du chromosome formé par cette molécule. Il est possible grâce à des marqueurs spécifiques de visualiser le locus (= localisation) d’un gène donné sur un chromosome. La molécule d’ADN d’un chromosome est le support de nombreux gènes. Dans le cas de l’espèce humaine les 23 chromosomes différents seraient le support d’environ 30 000 gènes. Ex : Schéma du chromosome 6 de l’Homme. Les bandes sur le chromosome correspondent aux bandes qui apparaissent sur les chromosomes après coloration. La localisation des gènes est symbolisée par les traits verticaux à droite. A gauche, les lettres et chiffres servent à repérer les différentes régions.

L’ARNm : intermédiaire entre noyau et cytoplasme L’ARN messager est constitué d’un seul brin, formé par l’enchaînement de 4 nucléotides différents. Chacun de ces nucléotides est formé d’une molécule de sucre, le ribose (au lieu du désoxyribose), d’une molécule d’acide phosphorique et d’une base azotée : A, C, G, U (uracile au lieu de thymine). Cliché A : Autoradiographie d’une cellule ayant été placée 15 mn dans un milieu riche en uracile radioactif. Cliché B : Autoradiographie d’une cellule ayant été placée 15 mn dans un milieu riche en uracile radioactif puis pendant 1h30 dans un milieu ne contenant que des précurseurs d’ARN non radioactifs. Ces constats suggèrent que les molécules d’ARNm servent d’intermédiaire entre l’ADN du noyau et les polypeptides synthétisés dans le cytoplasme. L’ARNm peut sortir du noyau par les pores de l’enveloppe nucléaire.

Transcription d’un gène La transcription est le transfert de l’information génétique sur une molécule d’ARN messager. Elle est réalisée dans le noyau par l’intervention d’un complexe enzymatique, l’ARN polymérase. De nombreuses molécules d’ARNm sont transcrites simultanément sur chaque gène et leur longueur croissante indique l’état d’avancement de la transcription sur la molécule d’ADN.

Mécanisme de la transcription L’ARN messager est constitué d’un seul brin, formé par l’enchaînement de 4 nucléotides différents. Chacun de ces nucléotides est formé d’une molécule de sucre, le ribose (au lieu du désoxyribose), d’une molécule d’acide phosphorique et d’une base azotée : A, C, G, U (uracile au lieu de thymine). Après ouverture de l’ADN, la synthèse d’une molécule d'ARN m s'effectue au contact d’un des deux brins de l’ADN, appelé brin transcrit, par assemblage de nucléotides libres dans le noyau suivant un ordre précis imposé par la complémentarité des bases entre l’ARN m et le brin d’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.

Traduction d’un ARNm Les chaînes polypeptidiques se forment dans le cytoplasme au niveau des ribosomes réunis en polysomes. La traduction débute au codon d’initiation et s’arrête au codon stop.

La séquence des acides aminés est gouvernée par celle des nucléotides de l’ARNm suivant un système de correspondance : le code génétique. Cette traduction est réalisée par triplets de nucléotides, appelés codons.

Ribosomes et ARN de transfert La traduction fait intervenir deux autres catégories d’ARN : les ARNr (pour ARN ribosomiaux) et les ARNt (pour ARN de transfert). La configuration spatiale des ARNt détermine un site de fixation d’un acide aminé spécifique et un site de reconnaissance d’un codon de l’ARNm. La reconnaissance d’un codon repose sur la complémentarité des bases entre un triplet de nucléotide de l’ARNt ou anticodon et le codon de l’ARNm.

Mécanisme de la traduction

Mécanisme de la traduction L'initiation de la synthèse d’un polypeptide débute toujours au niveau d'un codon AUG ou codon « initiateur » de l’ARN m. Ce codon détermine l’assemblage d'un ribosome sur l'ARN m et la liaison d’un ARNt-méthionine avec l’ARN m. Cette liaison repose sur la complémentarité entre l’anticodon de l’ARN t et le codon AUG de l’ARN m. La configuration du ribosome sur l’ARNm permet la fixation d’un deuxième ARN t et l’assemblage des deux premiers acides aminés du polypeptide. Au cours de l’élongation de la chaîne polypeptidique, le ribosome parcourt la molécule d'ARN m et assure la mise en place des différents acides aminés, apportés par les ARN t, en suivant l'ordre contenu dans la séquence des nucléotides de l'ARN m. La terminaison de la synthèse se produit, lorsque le ribosome arrive au niveau d'un codon stop. Ce codon déclenche la dissociation du ribosome et la libération dans le cytoplasme du polypeptide.

Homozygote / hétérozygote Un gène existe sous différentes formes que l’on nomme allèle. Chaque chromosome étant présent en double exemplaire, un venant de la mère et un venant du père, chaque individu possède pour chaque gène deux allèles. Si ces deux allèles sont identiques on dit que l’individu est HOMOZYGOTE pour ce gène. Si ces deux allèles sont différents on dit que l’individu est HETEROZYGOTE pour ce gène. Exemple de la drépanocytose Les parents hétérozygotes sont de phénotype clinique sain. Ils sont de phénotype moléculaire HbS + HbA. Seul l’individu HbS/HbS présente donc la maladie. On dit que l’allèle HbA est dominant par rapport à HbS (appelé récessif).

Exemple de polyallélisme : le groupe sanguin Phénotypes cellulaires Pour déterminer les groupes sanguins, on ajoute des anticorps à une goutte de sang. En présence d’un anticorps anti-A, les hématies portant le marqueur A sont seules agglutinées, l’anticorps anti-B agglutine les globules rouges portant le marqueur B.

Exemple de polyallélisme : le groupe sanguin Phénotypes moléculaires Ils sont déterminés par la présence de marqueurs situés au niveau de la membrane des hématies. Chez les personnes de groupe O, l’enzyme est inactive et ne provoque aucune modification de la substance H.

Exemple de polyallélisme : le groupe sanguin GENOTYPE PHENOTYPE MACROSCOPIQUE A//A Groupe sanguin A B//B Groupe sanguin B O//O Groupe sanguin O A//O B//O A//B Groupe sanguin AB Les allèles A et B sont codominants entre eux et dominants par rapport à l’allèle O.

Origine polygénique du groupe sanguin L’avant dernière étape de la synthèse des marqueurs dépend d’un gène appelé Fut1. Ce gène gouverne la fabrication de l’enzyme H qui catalyse la production d’une substance H à partir d’un précurseur. L’allèle H du gène FUT 1 permet la production d’une enzyme H active ; l’allèle h du gène Fut 1 code pour un polypeptide non fonctionnel. L’allèle h est récessif par rapport à l’allèle H.

Génotype et facteurs environnementaux Lapin sauvage Lapin himalayen TYROSINE Mélanines Réaction catalysée ( Pigments) par la tyrosinase

Génotype et facteurs environnementaux