La synthèse des protéines.
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La synthèse des protéines. Problème posé: La fabrication des protéines se déroule dans le cytoplasme, grâce aux ribosomes. L'information, elle, se trouve dans le noyau, sous forme d'un segment d'ADN. L'ADN, c'est la notice de montage de toutes les protéines qui nous constituent. Il doit donc exister un relais. Lorsqu'une partie de l'information héréditaire présente dans le noyau doit être utilisée dans le cytoplasme en vue de réaliser une protéine particulière, elle est transcrite en une copie temporaire selon un mécanisme original. Localement, la double hélice s'ouvre, de manière à permettre la fabrication d'un brin complémentaire au segment de l'ADN qui correspond au gène à traduire en protéine. Ce brin complémentaire est bâtit à partir de nucléotides d'ARN, pour former une molécule d'ARN messager. 1 Transcription de l'information Une protéine, l'ARN polymérase, est chargée de réaliser cette copie. Elle se glisse entre les deux montants de l'échelle de l'ADN, qui s'écartent, séparant les paires de bases qui formaient les barreaux. L'ARN polymérase rédige sa copie à partir de l'un des montants, elle lit les bases qui se succèdent et apparie chacune avec une des bases complémentaires de nucléiotides d'ARN présents dans le nucléoplasme. Ainsi une séquence d'ADN qui commence par AAATCGGCC... sera recopiée sous forme de UUUAGCCGG... L'ARNm ressemble à une demi molécule d'ADN, une « échelle à un seul montant ». Une fois la copie achevée, la molécule d'ARNm transcrite subit une maturation par: - modification de ses extrémités (en vue de permettre l'attache au ribosome, d'un côté, d'éviter les dégradations par les enzymes) - épissage , élimination de certaines régions non codantes (introns) du gène transcrit L'existence de ces introns chez les cellules eucaryotes surprend: quels peuvent être leurs rôles? Les hypothèses les plus sérieuses avancent l'augmentation des recombinaisons de portions de gène (donc de portions de futures protéines) lors de la méiose, en favorisant l'occurrence de crossing over, ou encore la fabrication de différentes protéines à partir de la même séquence d'ADN transcrite, en modifiant les parties conservées/éliminées de l'ARN brut. La molécule ainsi formée, appelée l'ARN messager, quitte alors le noyau et passe dans le cytoplasme. Elle amène « la notice de montage » d'une protéine, aux ribosomes chargés de sa fabrication. 2 Traduction de l'information Une cellule connaît deux langages celui que parle le noyau : le langage nucléique celui que parle le cytoplasme la langage protéique On passe de l'un à l'autre par une traduction. Le langage nucléique Le langage protéique s'exprime en nucléotides: 4 possibilités s'exprime en acides aminés: 20 possibilités La correspondance n'est pas automatique: il faut imaginer qu'une combinaison de plusieurs nucléotides détermine un acide aminé précis. s'exprime par groupe de 3 nucléotides: le codon Il y a 43 soit 64 codons possibles Il y aura trop de codons face au nombre d'acides aminés, donc il existe des codons synonymes. A chaque codon correspond un acide aminé particulier. Pour un même acide aminé il y a plusieurs codons possibles. Le code génétique exprime la correspondance entre les codons et les acides aminés. Compléments Synthèse des Protéines page 1 de 3 2ème base U 1ère base U C A G C A G 3ème base Phénylalanine Sérine Tyrosine Cystéine U Phénylalanine Sérine Tyrosine Cystéine C Leucine Sérine STOP STOP A Leucine Sérine STOP Tryptophane G Leucine Proline Histidine Arginine U Leucine Proline Histidine Arginine C Leucine Proline Glutamine Arginine A Leucine Proline Glutamine Arginine G Isoleucine Thréonine Asparagine Sérine U Isoleucine Thréonine Asparagine Sérine C Isoleucine Thréonine Lysine Arginine A Méthionine Thréonine Lysine Arginine G Valine Alanine Ac.Aspartique Glycine U Valine Alanine Ac.Aspartique Glycine C Valine Alanine Ac.Glutamique Glycine A Valine Alanine Ac.Glutamique Glycine G L'ARN messager s'encastre au sein du ribosome. Un ribosome lit les bases trois par trois (un triplet d'ARNm est appelé codon). Les ribosomes sont de très petits organites (0,00002 mm) composés de 2 parties globulaires. L'ARN messager s'encastre entre les 2 globules du ribosome, puis défile sur toute sa longueur, comme un fil de collier à travers une perle. L'image est d'autant plus belle que plusieurs ribosomes s'enfilent en même temps sur un seul ARNm. Les ribosomes se comportent comme des têtes de lecture: ils orientent les codons d'ARNm afin de rendre possible leur identification par un ARNt complémentaire. Les ARNt, t pour transfert, sont chargés d'amener les acides aminés qui formeront la protéine. Les ARNt possèdent d'un côté une séquence de trois bases libres, et de l'autre un acide aminé spécifique. Chaque molécule d'ARNt porte à la fois un acide aminé et l'anticodon qui lui correspond. Les ARNt lisent le codon d'ARNm présenté par le ribosome, et lorsque ce codon correspond à la séquence de bases libres de l'un d'eux, tous deux s'apparient temporairement, et l'acide aminé qu'il portait est alors lié aux acides aminés précédemment déposés... Deux ARNt peuvent s'insérer en même temps dans le ribosome; dès que le premier arrivé se sépare de son acide aminé, en le liant à la suite des autres, il quitte sa place et l'ensemble ARNt et ribosome se décale le long de l'ARNm, mettant à jour un nouveau codon, et la valse des ARNt reprend jusqu'à ce qu'un codon STOP signale la fin de la synthèse de la protéine. Compléments Synthèse des Protéines page 2 de 3 L'observation de cellules au microscope électronique a mis en évidence 2 populations de ribosomes: ceux qui sont libres, et ceux qui sont liés au réticulum endoplasmique rugueux. Les ribosomes libres synthétisent surtout des protéines qui seront utiles au fonctionnement interne de la cellule. Les ribosomes liés au réticulum endoplasmique rugueux synthétisent les protéines membranaires et les protéines qui seront sécrétées à l'extérieur de la cellule. Un même ribosome peut passer de l'état lié à l'état libre. La synthèse de toute protéine commencerait sur un ribosome libre et ce serait la protéine en formation qui indiquerait au ribosome s'il doit se lier ou non au réticulum endoplasmique rugueux. Les protéines sécrétoires sont marquées d'une séquence signal de 20 aa environ qui permettent au ribosome de se lier au réticulum endoplasmique rugueux. La fabrication d'une protéine requiert bien sûr de l'énergie ... fournie par les mitochondries. 3 Régulation de l'expression du matériel génétique (chez les procaryotes) Le matériel chromosomique complet de l'organisme n'est pas exprimé totalement continuellement: il en résulterait un gaspillage énergétique peu compatible avec la logique biologique. On peut ainsi distinguer • des gènes constitutifs, qui sont transcrits de façon permanente, comme les gènes codant les enzymes pour le catabolisme du glucose • des gènes de structure, qui sont transcrits selon des conditions particulières présentes dans l'environnement à ce moment. Citons aussi les gènes de régulation, dont qui fonctionnent selon deux logiques: répression: contrôle - : une molécule inutilisée ou présente cesse d'être produite (gène de l'anabolisme) induction: contrôle + : une molécule utilisable déclenche la synthèse d'enzyme capable de la dégrader (gène du catabolisme) a) Répression ex: le tryptophane, acide aminé, est synthétisé en 5 étapes à partir d'une molécule précurseur. Les gènes des cinq enzymes qui dirigent cette synthèse sont situées côte à côte le long du chromosome bactérien, avec le promoteur et l'opérateur. L'ensemble gènes de structure, promoteur et opérateur est appelé opéron. Ailleurs, il existe un gène régulateur qui est traduit en permanence et donne une protéine « répresseur ». Répresseur et tryptophane (=corépresseur) (si ce second est présent) peuvent se lier et s'accrocher ensemble sur le gène opérateur, empêchant ainsi l'action de l'ARN-polymérase. Les gènes des enzymes ne sont pas transcrits, et donc les enzymes, inutiles si le TRY est présent, ne seront pas produites. b) Induction ex le lactose est un glucide qui peut être utilisé par la respiration cellulaire, moyennant une transformation guidée par trois enzymes. L'opéron est constitué de la même façon, mais le répresseur fonctionne différemment. Seul, il bloque l'opérateur, alors que si du lactose est présent dans le milieu, le lactose se fixe sur la molécule de répresseur, et bloque son action négative sur la transcription. Celle-ci peut se faire, les enzymes capables d'initier la dégradation du lactose sont fabriquées, et le lactose pourra être utilisé. Compléments Synthèse des Protéines page 3 de 3
