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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.
Désoxyribose
Ribose
• 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
3’
5’
5’
3’
Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager)
3’
5’
3’
5’
5’
3’
L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme
Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase
Vitesse de la synthèse
~ 60 nucléotides / s
L’enzyme assemble le brin d’ARN
dans la direction 5’ – 3’ (comme
l’ADN polymérase)
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 sousunités: 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). 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.
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).
Liaison codonanticodon de deux
ARNt (il y a deux
sites de liaison sur
le ribosome).
L’ARNt à l’anticodon UAC se
fixe sur le codon AUG.
L’anticodon UGC se fixe sur le
codon ACG
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 code génétique
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.
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.
DANGERS ?????
Pour la santé?
Pour l'environnement ?
Ces saumons ont le même âge.
Celui du bas est un OGM
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. 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
B
A
On extrait une cellule
ordinaire de la brebis 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.
C
Clone de A
L'ovule avec son nouveau
noyau est implanté dans
une brebis C.
Qui donne alors naissance à
un jumeau identique (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
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)
Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Try-Gly-Lys-ValAsp-Val-Asp-Glu-Val-Gly-Gly-Glu-Ala-Leu-Gly-Arg-Leu-Leu-Val-Val-TyrPro-Try-Thr-Glu-Arg-Phé-Phé-Glu-Ser-Phé-Gly-Asp-Leu-Ser-Thr-Pro-AspAla-Val-Met-Gly-Asp-Pro-Lys-Val-Lys-Ala-His-Gly-Lys-Lys-Val-Leu-GlyAla-Phé-Ser-Asp-Gly-Leu-Ala-His-Leu-Asp-Asp-Leu-Lys-Gly-Thr-Phé-AlaThr-Leu-Ser-Glu-Leu-His-Cys-Asp-Lys-Leu-His-Val-Asp-Pro-Glu-Asp-PhéArg-Leu-Leu-Gly-Asp-Val-Leu-Val-Cys-Val-Leu-Ala-His-His-Phé-Gly-LysGlu-Phé-Thr-Pro-Pro-Val-Glu-Ala-Ala-Tyr-Glu-Lys-Val-Val-Ala-Gly-ValAla-Asp-Ala-Leu-Ala-His-Lys-Tyr-His
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.
délétion
AA T A C G G G C TA C G T C
devient
AAA C G G G C TA C G T C
Tous les acides aminés
suivant la délétion sont
changés
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
F
I
N
Bibliographie
• Bourbonnais, Gilles. "Hérédité." FYA
Pasc@l Biologie. Cégep de Sainte-Foy. 23
Oct. 2008 <http://www.cegep-stefoy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/ge
netique/indexheredite.htm>.