LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES

La transcription Information : dans le noyau (sous forme d'ADN) Synthèse des protéines : dans le cytoplasme (au niveau des ribosomes du reticulum endoplasmique) L'ADN ne sort pas du noyau. L'information passe au cytoplasme sous forme d'une copie : l'ARNm. ARN = Acide RiboNucléique

ARN diffère de l'ADN: Sucre des nucléotides = ribose et non désoxyribose comme dans l’ADN d’où le nom ARN, acide ribonucléique. Ribose Désoxyribose

Une seule chaîne de nucléotides La base azotée thymine (T) remplacée par Uracyl (U) (U peut s'apparier à A) Une seule chaîne de nucléotides Molécules plus courtes et plus instables que l'ADN Certains segments de l’ARN peuvent s’apparier s’ils sont complémentaires

Première étape de la synthèse d'une protéine = copie du gène (ADN) en une molécule d'ARN = transcription Ribonucléotides libres

Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager) 3’ 5’ 5’ 3’ Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager) L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme 3’ 5’

Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase L’enzyme assemble le brin d’ARN dans la direction 5’ – 3’ (comme l’ADN polymérase) Vitesse de la synthèse ~ 60 nucléotides / s

ARN polymérase se fixe à l’ADN au niveau d’une courte séquence d'ADN placée juste avant le début du gène = promoteur Le promoteur indique: Le début du gène à transcrire en ARNm (où l’ARN polymérase doit se fixer sur l’ADN) Quel brin d’ADN doit être transcrit

La traduction La synthèse de la protéine (assemblage des acides aminés) se fait au niveau des ribosomes

Les ribosomes Plus petites structures cellulaires : visibles au microscope électronique seulement. Formés de deux sous-unités: une petite et une grande

Chaque unité formée d'un mélange d'ARN (= ARNr) et de protéines (~ 60% ARNr et 40% protéines). Les sous-unités des ribosomes sont synthétisées dans le ou les nucléole(s) du noyau (les nucléoles sont des points plus sombres visibles au microscope dans le noyau) . Cellule Noyau Nucléole

30S 50 S ARNr en brun; protéines en bleu

ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN) ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN). Ces gènes existent en des centaines de copies dans le génome. Donc, certains gènes ne codent pas pour des protéines. C’est le cas de ces gènes qui servent à produire les ARNr

Pour synthétiser la protéine, il faut: ARNm = information (la recette) Ribosome = machine à assembler les acides aminés Acides aminés = pièces de construction ARNt (ARN de transfert) = molécules qui transportent les acides aminés du cytoplasme au ribosome où ils sont assemblés en protéine.

L'ARN de transfert (ARNt) ARNt = brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour former une structure en 3D

Deux zones importantes sur l'ARNt : Extrémité 3' (se termine par CCA) : peut se lier à un acide aminé Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm

Chaque ARNt est caractérisé par son anticodon. Un ARNt ne transporte pas n'importe quel acide aminé: ça dépend de l'anticodon Ex. ARNt AAA transporte toujours l'acide aminé PHE ARNt GAU transporte toujours l'acide aminé LEU L'acide aminé est attaché au bon ARNt par l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase

Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase Il existe plusieurs sortes d’aminoacyl-ARNt synthétase. Chacune peut attacher un acide aminé particulier à un ARNt particulier. Le site actif de l’enzyme reconnaît: un acide aminé particulier ET un anticodon particulier. L’enzyme unit l’acide aminé à l’ARNt

Chaque ARNt est synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux de l'ADN (encore des gènes qui ne codent pas pour des protéines)

N.B. Un gène peut coder pour la synthèse d'une protéine Un gène peut coder pour la synthèse d'un ARNr ou ARNt (ces gènes existent en des milliers de copies dans le génome) DONC, gène = brin d'ADN qui est copié en ARN

Mécanisme de la traduction Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait, il s’attache d’abord à la petite unité. C’est à ce moment que la grosse unité vient se fixer. Donc, les deux unités ne s’assemblent que lorsque l’ARNm se fixe à la petite unité. Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur l’ARNr au niveau du ribosome (un sur la zone appelée site P et l’autre sur la zone appelée site A).

L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG Liaison codon-anticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome). Chaque ARNt se fixe par son anticodon sur trois nucléotides de l’ARNm. Ces trois nucléotides de l’ARNm constituent ce qu’on appelle un codon.

Le ribosome avance de trois unités Le premier ARNt est retiré. Un autre ARNt se met en place

Vitesse de la synthèse: Chez E. coli ~ 5 AA / s Chez eucaryotes ~ 16 AA / s Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet de bases) UAA, UAG ou UGA = codons STOP. Lorsque le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme (facteur de terminaison) s'y fixe et détache l'ARNm du ribosome. ==> le ribosome se sépare en deux Les deux unités se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la petite unité.

Polypeptide ARNm Ribosome

La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale.

Chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un codon de l'ARNm. Chaque codon de l'ARNm correspond à un anti-codon spécifique de l'ARNt. Chaque anti-codon correspond à un acide aminé spécifique. DONC: chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un acide aminé.

La vitesse de synthèse peut être augmentée: Plusieurs copies d'ARNm sont synthétisées à partir du gène. Un même ARNm peut se fixer à plusieurs ribosomes à la fois = polyribosome ARNm peut s'accumuler dans la cellule sous forme inactive

Par convention, le code génétique est toujours représenté en faisant correspondre les codons de l’ARNm aux acides aminés auxquels ils correspondent. Le codon AUG (code pour MET) = codon d'initiation. Tous les gènes commencent par ce codon. La MET est souvent enlevée à la fin de la synthèse. N.B. dans leurs expériences, ils utilisaient un milieu enrichi en Mg++ ce qui permettait de déclencher la traduction sans que le brin d’ARN ne possède de séquence de départ. Le code génétique

Le code génétique est UNIVERSEL : c'est le même pour tous les êtres vivants. Si on introduit ce brin d’ADN dans n’importe quelle cellule de n’importe quel être vivant, si la cellule l’utilise, elle fabriquera la protéine : PHÉ – ARG – LEU – PHÉ – LEU

Il y a quand même quelques exceptions à l’universalité du code génétique. Chez certains organismes (certaines espèces de protozoaires et certaines espèces de champignons unicellulaires), certains codons peuvent coder pour un acide aminé différent. Voir : Exceptions du code

L’universalité de code génétique alors permet le transfert de gènes d'une espèce à l'autre = génie génétique On peut introduire dans une cellule d’une espèce donnée un gène provenant d’une cellule d’une autre espèce. La cellule ayant reçu le gène de l’autre espèce synthétisera alors la protéine codée par ce gène étranger. Introduction de gènes dans une bactérie Introduction de gènes dans un organisme pluricellulaire

Ex. production d'insuline humaine par une bactérie : On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

On extrait les plasmides de bactéries Une enzyme de restriction ouvre les plasmides On extrait ou on synthétise le gène à greffer et on le multiplie en de nombreux exemplaires. On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme (ligase) fusionne les brins d'ADN Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

Exemples: bactéries qui synthétisent: Insuline Facteurs de coagulation Hormone de croissance Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple) Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature ETC.

On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires: Végétaux: Le gène est introduit dans une cellule méristématique (cellules indifférenciées). Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning). Animaux: Le gène est introduit dans un ovule fécondé ou une cellule embryonnaire. L'ovule est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

Plantes résistantes aux insectes. Résistantes aux herbicides. Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps. Nouvelles saveurs. Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple). ETC. Riz possédant des gènes lui permettant de synthétiser du bêta carotène, le précurseur de la vitamine A

Animaux à croissance plus rapide. Animaux plus faibles en gras. Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs). Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple). ETC. Ces saumons ont le même âge. Celui du bas est un OGM DANGERS ????? Pour la santé? Pour l'environnement ?

Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal. Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???

Toute cellule provient de la reproduction d’une autre cellule Toute cellule provient de la reproduction d’une autre cellule. Ainsi, tout organisme pluricellulaire provient de la reproduction d’une première cellule : l’ovule fécondé. Puisque l’ADN est copié à chaque reproduction de la cellule, toutes les cellules d’un même organisme possèdent le même ADN, celui qui était présent dans l’ovule de départ. DONC, puisque chaque cellule possède le même ADN que celui qui était dans l’ovule de départ, théoriquement, on pourrait produire un individu complet à partir de n’importe quelle de ses cellules. C’est le CLÔNING.

Le cloning On extrait une cellule ordinaire de la brebis A. B A On extrait un ovule de la brebis B. Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A. L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C. C Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A. Clone de A

Dolly 1997-2003 N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

Peut-être un jour ???

Les mutations Mutation = modification de l'information génétique (ADN) Une mutation peut être: Chromosomique = altération d'un chromosome complet Ponctuelle = anomalie dans la séquence des nucléotides

Cause des mutations: Erreur lors de la séparation des chromosomes (mutations chromosomiques) à la division cellulaire Erreur de réplication (erreur de copie non réparée) Erreur causée par une altération de l'ADN par des agents extérieurs = agents mutagènes Causes physiques : radiations (UV, X, gamma) Causes chimiques : molécules agissant sur l'ADN

Une paire de nucléotides remplacée par une autre. Types de mutations Substitutions (Remplacement) Délétions Insertions Inversions Substitution Une paire de nucléotides remplacée par une autre. Peut n'avoir aucun effet = mutation silencieuse Ex. CCG (Gly) changé par CCA (Gly aussi)

Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA) Anémie falciforme = maladie génétique caractérisée par une hémoglobine anormale. Anomalie dans la chaîne ß de l'hémoglobine : 6e acide aminé = VAL alors qu'il devrait être GLU

Peut entraîner la modification d'un acide aminé de la protéine. Parfois peu ou pas d'effet. Parfois diminue ou supprime l'efficacité de la protéine. Dans certains cas un codon devient un codon STOP Ex. AAG devient UAG (STOP) ==> arrêt de la synthèse avant la fin = mutation non sens

Délétions ou insertions = addition ou délétion d'une ou plusieurs paires de bases. Effet désastreux: tous les acides aminés sont changés SAUF si la modification fait intervenir un multiple de trois nucléotides. = mutation décalage du cadre de lecture (frame shift) Ex. A A T A C G G G C T A C G T C délétion A A A C G G G C T A C G T C Tous les acides aminés suivant la délétion sont changés devient

La mutation ne devient héréditaire que si elle se transmet à la descendance, donc si elle survient dans un gamète ou une cellule formant des gamètes. Généralement les mutations provoquent un dérèglement mortel de la cellule. Dans certains cas, c'est la reproduction de la cellule qui se dérègle = CANCER

Structure des gènes chez les eucaryotes Chez les procaryotes : presque tout l'ADN code pour des protéines. Chez les eucaryotes, seulement 3% de l'ADN code pour des protéines ou des ARNr ou t. Le 97% restant = "junk" DNA (ou "garbage" DNA) Il serait plus prudent de parler plutôt d'ADN non codant

Taille du génome en nombre de paires de bases

ADN non codant situé: Entre les gènes codant OU À l'intérieur même des gènes = introns

Les introns Introns = séquence non codantes situées à l'intérieur des gènes Parties codantes = exons 90% de certains gènes = introns Ex. gène du collagène contient 50 introns! Taille des introns varie de 31 à 210 000 bases

Lors de la transcription, tout le gène (introns + exons) est copié en ARNm. L'ARNm doit ensuite être modifié pour, entre autres, en enlever les introns = épissage de l'ARN.

Hybridation ARNm épissé avec le gène correspondant d'ADN

20% des maladies génétiques sont dues à des erreurs d'épissage.

Dans certains cas, un même gène peut être épissé de différentes façons pour donner différentes protéines. Une protéine peut aussi être découpée, après sa synthèse, de différentes façons pour donner différentes protéines. Il y aurait chez l'humain entre de 30000 et 60000 gènes, mais plus de 100 000 protéines différentes Mais qu'est-ce qu'un gène ?????

Combien de gènes ? Selon les équipes qui ont séquencé l'ensemble du génome humain il y aurait entre 30 000 et 40 000 gènes dans le génome humain. Arabidopsis thaliana (une petite plante) contient 25 000 gènes. C. elegans (un nématode) en contient 19 000 La drosophile, 13 600 Arabidopsis thaliana C. elegans À lire: Quelle est la taille du génome humain

FIN

Bibliographie Bourbonnais, Gilles. "Hérédité." FYA Pasc@l Biologie. Cégep de Sainte-Foy. 23 Oct. 2008 <http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/indexheredite.htm>.