séquence d`acides aminés

MASTER 1 STAPS
Dr Stéphan Clavel
Biochimie - Physiologie
[email protected]
04.92.07.68.93
LABORATOIRE DE BIOLOGIE CELLULAIRE & MOLECULAIRE
UMR-CNRS 6548
«Signalisation et différentiation des cellules musculaires»
1. Introduction Générale
Les protéines ont une durée de vie limitée (entre quelques min à quelques jours)
elles doivent être renouvelées en permanence
- « Entretien »
- Croissance
- Cicatrisation
Rq: certaines protéines de la
matrice extracellulaire sont
connues pour leur longévité
(plusieurs années).
• Synthèse (assemblage des acides
aminés en chaîne polypeptidique =
protéine): ribosomes
Localisation des processus
• Processus de dégradation intracellulaire: protéasome et lysosomes
1. Rappel: Information génétique
• Protéine = polymère
(chaîne) d'acides aminés
50% du poids sec de la plupart
des cellules = protéines
Nombre total de protéines
que peut fabriquer
l'organisme humain ???
• Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés.
Ex. le lysozyme (126 AA)
Lys-Val-Phé-Gly-Arg-Cys-Glu-Leu-Ala-Ala-Ala-Met-Lys-Arg-His-Gly-Leu-AspAsn-Tyr-Arg-Gly-Tyr-Ser-Leu-Gly-Asn-Trp-Val-Cys-Ala-Ala-Lys-Phe-Glu-SerAsn-Thr-Gln-Ala-Thr-Asn-Arg-Asn-Thr-Asp-Gly-Ser-Thr-Asp-Tyr-Gly-Ilu-LeuGln-Ilu-Asn-Ser-Arg-Trp-Trp-Cys-Asn-Asp-Gly-Arg-Thr-Pro-Gly-Ser-Arg-AsnLeu-Cys-Asn-Ilu-Pro-Cys-Ser-Ala-Leu-Leu-Ser-Ser-Asp-Ilu-Thr-Ala-Ser-ValAsn-Cys-Ala-Lys-Lys-Ilu-Val-Ser-Asp-Gly-Asp-Gly-Met-Asn-Ala-Trp-Val-TrpArg-Asn-Arg-Cys-Lys-Gly-Thr-Asp-Val-Gln-Ala-Trp-Ilu-Arg-Gly-Cys-Arg-Leu
Pour fabriquer une protéine, il faut:
• Des acides aminés.
• La recette (quels acides aminés il faut assembler et dans quel ordre)
Noyau contient une
matière appelée
chromatine
Chromatine = mélange
de protéines appelées
histones et d'ADN
1.1 Structure de l’ADN (Acide DésoxyriboNucléique)
La molécule d ’ADN est composée de 3 types de molécules:
• Groupements phosphate
• Désoxyribose (sucre à 5 carbones)
• Bases azotées:
- Purines: Adénine, Guanine (A, G).
- Pyrimidines: Thymine, Cytosine (T, C).
Sucre
Phosphate
ADN = polymère de nucléotides
Il y a quatre sortes de nucléotides
• Adénine
• Thymine
Désoxyribose
Base
azotée
• Cytosine
• Guaninie
Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres via le groupement phosphate
A avec T : deux liaisons
hydrogène (liaisons
faibles).
C avec G : trois
liaisons hydrogène
L'orientation entre les liaisons donne une structure en forme de double hélice
Dans une cellule humaine : 46 molécules d'ADN
Chaque molécule d'ADN s'enroule sur des protéines (histones) et forme un chromosome.
ADN
Un chromosome = une molécule
d'ADN et les protéines sur
lesquelles elle s'enroule.
Histones
L'ensemble des chromosomes forme
la chromatine
Petite portion d'un chromosome humain
1.2. Le code génétique
Le message peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas).
N.B. 64 combinaisons pour 20
acides aminés.
Code redondant (dégénéré):
plusieurs triplets différents
peuvent coder pour le même
acide aminé.
Trois triplets signifient la fin de
la recette : triplets STOP
Un segment d'ADN portant
l'information nécessaire pour la
synthèse d'une protéine = gène
1.3. Comparaison ARN/ADN
• Polymères de nucléotides
• L’ADN a une structure double brin (hélice)/ARN simple brin
• Dans l’ARN le nucléotide thymine est remplacé par l’uracile
Appariement des bases et Pi stacking dans l'ADN et l'ARN
Les chaînes nucléotidiques ont une grande souplesse conformationnelle, ce qui autorise
l'apparition de structures complexes. Ces structures (tertiaires) sont dues à l'appariement
spécifique des bases par des ponts hydrogènes, trois entre C et G et deux entre A et T ou A
et U, mais aussi à la tendance qu'ont les bases à s'empiler les unes sur les autres (« Pi
stacking ») grâce aux charges électrostatiques et aux forces de Van der Waals.
1.4. Principe de la transmission de l’information
TRADUCT
ION
• Chaque triplet de bases ADN code pour un triplet de bases ARN (codon).
• Un codon code pour un acide aminé
• support d'un message codé (ADN, ARNm et ARNt)
• détermine la nature de la protéine:
- le nombre
- l'ordre
- l'identité
de ses acides aminés
• participent activement à la
synthèse protéique (ARNr
des ribosomes)
1.5. ARN messager
• La synthèse des protéines, est dirigée par une
matrice: l'ARN messager (ARNm)
L ’ARNm: déterminera, grâce à un message codé, la
nature, l'ordre et le nombre des acides aminés (parmi
un choix de 20 différents), assemblés pour former
l'axe polypeptidique de la protéine.
• Le code est déchiffrable uniquement dans le sens 5’ vers 3’
• L'identité de chaque acide aminé est donnée par une séquence spécifique de trois
nucléotides consécutifs sur l'ARNm: codon.
• Les nucléotides du code sont au nombre de quatre : adénine phosphate (A), guanosine
phosphate (G), cytosine phosphate (C) et uridine phosphate (U).
Ex: AUG code la méthionine, ACC code la thréonine et UCA code la sérine
l'ensemble des codons possibles,4 exposant 3 = 64 , est supérieur au nombre d'acides
aminés disponibles (20 chez les Eucaryotes), si bien qu'un même acide aminé peut être
codé par plusieurs codons : si le tryptophane n'a que le seul codon UGG, la glycine peut
être codée par les combinaisons GGU, GGC, GGA ou GGG. Pour faire référence à cette
caractéristique, les anglo-saxons parlent de « degenerate code ».
Etant donné qu'on dispose de 20 acides aminés, le code à trois lettres paraît être le plus
cohérent (optimum). En effet, le code à deux lettres serait insuffisant, car ne permettant
que 16 combinaisons (4 exposant 2). A l'inverse, le code à quatre lettres, permettant 256
combinaisons (4 exposant 4) serait excessif, rendant inutilement long le génome codant.
Le code est universel : il est utilisé par tous les organismes, animaux, végétaux,
champignons, bactéries et virus. Cependant, des codons légèrement différents peuvent
exister chez les mitochondries et certaines bactéries.
1.6. Organisation des génomes
• Le séquençage du génome humain a démontré l'existence d'environ 40 000 gènes (qui
ne représentent que 1,5% de la quantité totale de l'ADN du noyau).
• Ces 40 000 gènes sont à l'origine de la synthèse d'environ 200 000 protéines
différentes (amplification).
Billion = Milliard
• La taille des génomes n’est pas proportionnelle à la complexité des organismes
• Présence de séquences « non codantes » (dépourvue de gènes)
Virus/organisme
Taille du génome (paire de base)
2. Transcription
 Une zone de l’ADN se
relaxe (déroule).
L’information génétique
portée par l’ADN est
transcrite en l’ARN
messager (ARNm).
ADN

TRANSCRIPTION
ARN
 L’ARNm migre du noyau
vers le cytoplasme où il
s’associe aux ribosomes.

Noyau
Acides
aminés
ARNt

ARN
Ribosome
Cytoplasme
Protéine
TRADUCTION
 L’information portée par
l’ARNm est traduite en
protéine: conversion de
l’information génétique en
séquence d’acides aminés
spécifique  synthétise de
la protéine.
Rq: La traduction au niveau
des ribosomes necessite des
ARNs de transfert (ARNt)
2.1. Principales étapes
• La similarité de structure
chimique entre l’ADN et l’ARN
permet leur association via
leurs nucléotides  synthèse
du transcrit ARNm
• Une région de l’hélice ADN se
relaxe (déroule)
• Des nucléotides ARN viennent
s’associer à l’ADN par
complémentarité
Rq: l’ARN polymérase relaxe l’ADN
et ajoute les nucléotides ARN à
l’ARNm en cours de synthèse.
• Au fur et à mesure de leur
synthèse, les nucléotides de
l’ARNm se sépare de l’ADN.
L’ADN se referme après que
l’ARNm soit transcrit
• Lorsque la transcription de l’ARN est terminée le brin d’ARNm se libère de
• Les 3 étapes de la transcription:
- Initiation
- Elongation
- Terminaison
• Des signaux contrôlent les sites où l’ARN polymerase
débute et stoppe la transcription de l’ADN.
Gene A
Gene B
TRANSCRIPTION
TRANSCRIPTION
L’initiation de transcription est le principal point de contrôle
2.3. ARN polymerases
2.3.1. Classification
• 3 types d’ARN polymerases (chez l’humain) qui synthetisent 3 types
d’ARN
Polymerase Produit
I
rRNA
II
précurseur d ’ARNm
III
RNAt, small RNA
Regulation
simple
diverses
simple
Types d’ARN
Fonction
mRNAs
code pour des protéines
rRNAs
protéines
composant des ribosomes, catalyse la synthèse des
tRNAs
adaptateurs entre les ARNm et les acides aminés
snRNAs
Epissage alternatif (small nuclear RNA)
Rôle des différents ARNs
Type d’ARN
Fonctionne dans
ARN messager (ARNm)
ARN de transfert (ARNt)
ARN ribosomal (ARNr)
Fonction
Noyau, migre
dans le
cytoplasme
(ribosomes)
Transporte l’information
de la séquence ADN vers
le ribosome
Cytoplasme
Lie l’ARNm avec les
acides aminés
Cytoplasme
Structure des
ribosomes
2.3.2. Fonctionnement de l’ARN polymerase II
• Utilise l’ADN simple brin
comme matrice
• Ne nécessite pas
d’amorces
• Synthétise l’ARN de 5’
vers 3’(unidirectionnel)
• L’ADN duplex est désenroulé en amont et ré-enroulé en
aval de la “bulle” de transcription
• La transcription implique de nombreuses enzymes et
protéines
2.4. Initiation de la transcription
La sélection du segment d’ADN à transcrire est réalisées par la formation d’un
complexe d’initiation au niveau d’un promoteur
Promoteur: petite region d’une séquence d’ADN qui permet la liaison de l’ARN
polymerase pour initier la transcription.
Sequences consensus du promoteur E. coli
5’………TATTGACA………………TATAAT……Start site
-35
-10
+1
Le facteur sigma chez E. coli interagit avec la séquence comprise entre
–35 and –10 au niveau des promoteurs afin de selectionner les gènes à
transcrire
2.4.1. Promoteur et séquences consensus
L’ARNm s’allonge de l’extrémité 3’ vers l’extrémité 5’
Le brin codant est lu de 5’ 3’
Site initiation de
transcription +1
Brin codant
L’initiation de la transcription nécessite des séquences
consensus : séquence de nucléotides conservée entre différents
gènes
ex: TATAA box
Séquence consensus d’initiation de transcription (E.Coli)
Principales séquences consensus chez les eucaryotes: TATA box et Initiateur (Inr).
Y= Cytosine ou Thymine . N est un nucléotide indifférent
• Certains gènes peuvent avoir un Initiateur mais pas de TATA box dans leur promoteur
et vice versa.
• TATA box est reconnue par TBP; Inr est reconnue par TFIID
• Les séquences régulatrices en amont sont reconnues par des facteurs de transcription
2.5. Elongation et termination
• Une fois le l’ARN pol s’éloigne du promoteur, la chaine ARN s’allonge et adopte une
nouvelle structure en s’associant avec de nouvelles proteines: facteurs d’élongation.
• La Termination chez E. coli est controlée par des séquences de terminaison et des
protéines accessoires tel que le facteur Rho. Lorsque la séquence de terminaison est
transcrite, elle forme un “hairpin” (tête d’épingle), region riche en GC suivie de résidus U
• La Termination chez les eucaryotes est moins bien connue.
a. Pour la plupart des ARNm, pol II genere un transcrit plus long que l’ARNm mature (3’)
b. la Termination est probablement couplée au “traitement” de cette extremité 3’
supplémentaire .
Reconnaissance d’une séquence de clivage (AAUAAA------GC ou U rich) par des
complexes enzymatiques qui vont cliver cette extremité et assurer polyadenylation.
Ce processus signifie au complexe Pol II de se séparer de la matrice ADN et de terminer
la transcription.
3. Traduction
La conversion en protéine du message codé par l'ARNm, nommée processus de
traduction, est catalysée par un grand complexe d'ARN et de protéines, formant
une particule visible en microscopie électronique : le ribosome.
3.1. Initiation de la traduction
• Reconnaître le point de départ du message codé porté par l'ARNm: codon AUG.
• Formation préalable d'un complexe de pré-initiation, formé de la petite sous-unité (40 S),
de l'ARNt de la méthionine ( ARNt meth initiateur) et du facteur d'initiation eIF–2.
• Le complexe de pré-initiation reconnaît la tête (5 ’) de l'ARNm (présence de plusieurs
facteurs d'initiation se fixant soit à la tête de l'ARNm soit à la petite sous-unité (40 S)).
• L'un des facteurs d'initiation, à activité hélicase, aura pour fonction de linéariser la molécule
d'ARNm: déplacement du complexe de pré-initiation le long de l'ARNm (à la recherche du
codon de départ).
• Grâce à la présence de l ’arnt meth initiateur qui porte l'anticodon 3 ’–UAC–5 ’, le
complexe de pré-initiation trouve le codon de départ 5 ’–AUG–3 ’.
• Le GTP lié à eIF–2gamma est alors hydrolysé: dissociation des facteurs d'initiation et
association de la grande sous-unité à la petite.
L'ARNm est alors pris entre les deux sous-unités: coulisse par rapport au ribosome.
3.2. Elongation de la traduction
• Les ARNs de transfert (ARNt) possèdent d’un coté
un site de fixation pour un acide aminé et de l ’autre un
anticodon (triplet de nucléotides)
Acide aminé
• Les ARNt assurent la conversion de l’information
génétique en polypeptide.
• La traduction s’opère au niveau du ribosome
Chaque ARNt est
spécifique d’un
acide aminé
Anticodon
3.2.1. Structure des ribosomes
Elongation
de la chaîne
peptidique
ARNt +
acide
aminé
• Les ribosomes sont composés
de 2 sous unités qui s’associent
lors de la traduction.
• La grande sous-unité possède
2 sites de fixation des ARNt:
site A et P
3.2.2. Structure des ARN de transfert
Une extrémité de
l’ARNt fixe un acide
aminé spécifique
Site de fixation à
l’acide aminé
Site de fixation
à l’ARNm
Une extrémité de
l’ARNt est spécifique
d ’un codon
1. Un transcrit ARNm se
fixe sur la petite sous unité
du ribosome et le premier
ARNt se fixe.
Le codon AUG de
l’ARNm est la
séquence « initiation »
de traduction du
polypeptide.
3. La grande sous-unité du ribosome
vient s’associer au ribosome
2. L’ARNt qui porte la
méthionine (met) se fixe
sur le codon AUG
4. Le deuxième ARNt qui porte la
Leucine vient s’apparier à l ’ARNm
5. Une liaison entre la leucine et la méthionine
forme une chaîne polypeptidique.
7. Le ribosome se
déplace le long de
l’ARNm.
L’ARNt qui porte la
leucine se fixe sur le
site P et libère donc
le site A.
6. L’ARNt fixé au site P est libéré
8. Un nouvel ARNt
(Thre) correspondant
au codon suivant sur
l’ARNm se fixe sur le
site A et ainsi de
suite: élongation de la
chaîne polypeptidique
3.2.3. Polysomes
Un transcrit ARNm peut être traduit par de nombreux ribosomes
(polysomes)  production de nombreuses copies de la même protéine.
ARNm
polypeptides
polypeptides
Ribosome
ARNm
Ribosome
4. Terminaison de la traduction
La translocation s'effectue jusqu'à l'un des codons stop, UAA, UAG ou UGA, qui est lié à
une protéine appelée facteur de terminaison de l'élongation (eTF), elle-même associée au
GTP. Aucun autre acide aminé ne peut plus être ajouté, et la traduction est terminée par
l'hydrolyse de la liaison du dernier acide aminé avec son ARNt, formant ainsi l'extrémité
carboxy terminale de la protéine. La chaîne protéique alors complète est libérée et les
deux sous-unités du ribosome se dissocient libérant ainsi l'ARNm.
5. Epissage alternatif de l’ARN
Epissage
Des enzymes spécialisées vont éliminer des régions non
codantes de l’ARNm (introns) et « recollent » les régions
codantes (exons) ensemble afin de former un transcrit
« édité » (épissé)
Transcrit ARNm
Des enzymes éliminent les introns
Transcrit ARNm édité (épissé)
Protéine fonctionnelle
Gène (triose phosphate isomérase)
Intron
Transcription + épissage
ARNm épissé
Queue polyA
(polyadéndylation)
Protéine
L’ARNm se caractérise
en 3’ par la présence
d’une « queue polyA »