Labo Synthèse des protéines

1
Évolution et Diversité 101-NYA-05
LAB0RAT01RE
LES ACIDES NUCLÉIQUES
ET
LA SYNTHESE DES PROTÉINES
PREMIERE PARTIE: THÉORIE
1.
Introduction
Les gènes sont des unités héréditaires. Comment sont-ils faits et comment fonctionnent-ils ? Le matériel
héréditaire doit être capable de remplir les trois fonctions essentielles suivantes.
1) Se répliquer: c'est-à-dire de faire des copies de lui-même. Ces copies doivent passer d'une cellule à
l'autre et d'une génération à l'autre.
2) Contrôler les activités cellulaires: assurer la différenciation cellulaire, c'est-à-dire que le même matériel
génétique est contenu dans le noyau de tous les genres de cellules, cellules de nature et fonction fort
différentes.
Diriger le développement des différences phénotypiques entre les individus et les espèces.
3) Muter ou changer; cette propriété permettra l'évolution du monde vivant et la création de nouvelles
espèces.
Concepts:
a) La structure à double brins de l'ADN est telle que chacun d'eux peut servir de matrice au cours de la
réplication, appelée aussi duplication.
b) L'ADN dirige la cellule en contrôlant la synthèse des protéines. Il suffit de 4
types de nucléotides en séquences variées pour former des triplets capables de
coder 20 acides aminés.
c) Les mutations proviennent d'une modification au code de l'ADN, (séquence des bases azotées).
2.
Au niveau moléculaire
2.1 MATÉRIEL HÉRÉDITAIRE = ADN
Les chromosomes sont faits de protéines et de l'ADN. Des expériences avec des
protéines marquées au 35S et avec de l'ADN marqué au 32P ont montré que la portion ADN est le matériel
génétique.
2
2.2
NATURE DE L'ADN.
Constituants (voir Campbell, chapître 5)
1-L'ADN est fait de nucléotides. 2-Chaque nucléotide est composé de l'acide phosphorique (groupe
phosphate), d'un sucre, le désoxyribose et d'une base azotée. 3-Il y a quatre bases azotées différentes qui
donnent quatre nucléotides différents. 4-Chaque montant extérieur d’un brin d’ADN est une suite de
phosphate et de désoxyribose. 5-Les 2 brins sont reliés au centre par des ponts Hydrogène entre les bases
azotées. 6-Chaque pont hydrogène est entre une purine et une pyrimidine et 7-ceci donne une largeur
constante entre les brins. 8-Les 2 brins sont en direction antiparallèle.
9-Il y a deux bases azotées puriques (double cycle) :
adénine,
guanine
10-Il y a deux bases azotées pyrimidiques (cycle simple).
thymine,
cytosine
11-La purine et la pyrimidine sont liées par :
2 ponts H
3 ponts H
3.
La synthèse des protéines
3.1
Introduction
Au cours des années 40', les biologistes ont commencé à penser que l'information génétique contenue
dans l'ADN des cellules, déterminait la structure de leurs protéines.
Si c'était le cas, deux organismes possédant des traits héréditaires différents, donc 2 organismes
génétiquement différents, devraient avoir des protéines différentes. Ce fut démontré.
Peu après avoir montré le rôle génétique joué par l'ADN, des scientifiques ont émis l'hypothèse que la
séquence des nucléotides dans l'ADN déterminait la séquence des acides aminés dans les polypeptides.
Comme on l'a vu précédemment, la séquences des acides aminés détermine la structure et la fonction de la
protéine.
Chez les eucaryotes, l'ADN est confiné au noyau. La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme. Un
autre acide nucléique,. « l’ARN » se retrouve dans le noyau et dans le cytoplasme.
Dans le pancréas et d'autres organes qui synthétisent beaucoup de protéines, la synthèse de l’ARN était
très rapide. A partir de ces données, on pouvait imaginer que l'ARN jouait le rôle d'intermédiaire, en
transportant l'information génétique de l’ARN nucléaire au cytoplasme, où il (l’ARN) participait à la
synthèse des protéines.
On sait aujourd'hui que ce scénario est correct.
3.2
L'ARN (Acide Ribonucléique)
a)
c’est un acide nucléique, comme l'est l'ADN
b)
un seul brin (monocaténaire)
c)
le sucre est le ribose :
d)
l’une des pyrimidines est l’Uracile ; elle remplace la thymine
L’Uracile (ARN) et la Thymine (ADN) s’apparient donc à l’Adénine.
e)
Il y a 3 types d’ARN qui participent à la synthèse des protéines.
ARN = Ribose
ADN = Désoxyribose
3
3.3
ARNr:
ARN ribosomal. Il constitue le ribosome. Son rôle est mal connu. La synthèse a
lieu au ribosome.
ARNm:
ARN messager. Se servant d'un brin d'ADN
comme matrice, il transcrit (par complémentarité)
la séquence des bases, (de 3' à 5', de la matrice).
Cette opération s'appelle la transcription
ARNt:
ARN de transfert. Il se tient dans le cytoplasme. Il apporte les acides aminés aux
ribosomes et les place correctement sur
la chaîne de polypeptide en croissance.
De l’ADN à la chaine polypeptidique
3.3.1 La transcription
Cette première étape permet à l'information contenue dans la séquence des bases d'un des brins
d'ADN, de passer dans la séquence des bases de l'ARN messager, à un seul brin.
Ex.
ADN
5’ . . .
CAA CGT TAT GAA CTG . . . 3’
3’
GTT GCA ATA CTT GAC . . . 5'
Transcription
ARNm
5' . . .
CAA CGU UAU GAA CUG . . . 3'
3.3.2 La traduction
Dans cette deuxième étape, la séquence des bases sur l'ARNm est décodée par groupe de 3 bases,
qu'on appelle un codon. A un codon de l'ARNm. correspond un des 20 acides aminés.
La'traduction se fait triplet par triplet. Elle nécessite un intermédiaire, l'ARNt (de transfert).
Ex.
ARNm
5' . . .//
CAA CGU UAU GAA CUG . .// . 3'
Traduction
Protéine
NH2 . //. . –Gln -- Arg -- Tyr - Glu --Leu- . //. . COOH
4
3.4
Le code génétique
L'ADN, L'ARN et les polypeptides sont fondamentalement des chaînes linéaires.
Une séquence d'une position d'ADN est transcrite en une séquence complémentaire
d'ARNm, qui à son tour est traduite en une séquence déterminée d'acides aminés dans le
polypeptide.
L'ARN messager contient 4 bases différentes ou 4 lettres. Avec cet alphabet de 4 lettres, il
faut faire des mots particuliers, chaque mot correspondant à un acide aminée.
Avec des mots d'une lettre: U, C, G, A,
4 acides aminés possiblement codés.
Mots de 2 lettres: UC AG 16 possibilités:
16 acides aminés codés
Mots de 3 lettres: AUG CCC 64 possibilités : 20 acides aminés codés + Début, Fin
Sur 1.'ARNm. ces mots de 3 lettres s'appellent des codons
5
LE CODE GÉNÉTIQUE (au niveau de l'ARNm)
DEUXIÈME BASE du CODON
PREMIÈE BASE DU CODON
U
C
A
G
UUU
UUC
UUA
UUG
CUU
CUC
CUA
CUG
AUU
AUC
AUA
AUG
(début)
GUU
GUC
GUA
GUG
Phe
Leu
Leu
Ile
Met
Val
Codes des abréviations
Pour voir la structure
détaillée de chaque
acide aminé, voir:
Campbell, 2003, p. 75
Campbell, 2007, p. 75
UCU
UCC
UCA
UCG
CCU
CCC
CCA
CCG
ACU
ACC
ACA
ACG
GCU
GCC
GCA
GCG
C
Ser
Ser
Pro
Thr
Ala
3 lettres
Ala
Arg
Asp
Asn
Cys
Glu
Gln
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp (qqfs Try)
Tyr
Val
A
UAU
UAC
UAA
UAG
CAU
CAC
CAA
CAG
AAu
AAC
AAA
AAG
GAU
GAC
GAA
GAG
(l lettre)
(A)
(R)
(D)
(N)
(C)
(E)
(Q)
(G)
(H)
(I)
(L)
(K)
(M)
(F)
(P)
(S)
(T)
(W)
(Y)
(V)
G
Tyr
Stop
Stop
His
Gln
Asn
Lys
Asp
Glu
UGU
UGC
UGA
UGG
CGU
CGC
CGA
CGG
AGU
AGC
AGA
AGG
GGU
GGC
GGA
GGG
Cys
Stop
Trp
Arg
Ser
Arg
Gly
Acide aminé
alanine
arginine
acide asparagique
asparagine
cystéine
acide glutamique
glutamine
glycine
histidine
isoleucine
leucine
lysine
méthionine
phénylalanine
proline
sérine
thréonine
tryptophane
tyrosine
valine
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
TROMEISÈ BASE du Codon
U
6
3.4
Résumé de la synthèse des protéines (12 étapes)
1-L'ADN, par transcription dans le noyau, donne l’ARN m (messager)
2-L'ARNm va dans le cytoplasme s'attacher à un ribosome, qui a 2 sites : P et A
3-Le ribosome se place à l'extrémité 5' de l’ARNrn et de déplace vers 3', en cherchant le codon
AUG le plus proche. C'est le site P du ribosome qui en face du codon AUG.
AUG indique le début de codage de la protéine. Notez que AUG code en même temps pour la
méthionine, qui sera donc toujours au début de la chaine polypeptidique, extrémité
N-terminale
4-Les ARNt sont déjà dans le cytoplasme et se lient avec des acides aminés.
5-Lié à la méthionine, un ARNt (avec son anticodon UAC), vient se placer en face du codon
AUG, dans le site P du ribosome.
6-Lié avec son acide aminé (LYSINE), un autre ARNt (avec son anticodon UUU) vient se placer
en face du codon suivant, ex AAA, dans le site A du ribosome.
7-La METHIONINE du site P s'attache (par un lien peptidique) à la LYSINE du site A.
8-L'ancien ARNt de la Méthionine est maintenant seul et quitte le site P pour aller dans le
cytoplasme se lier avec une autre molécule de méthionine.
9-Le ribosome se déplace d'un codon vers l'extrémité 3' de l'ARNm.
10-Un nouvel ARNt (avec son acide aminé) vient se placer sur le site A du ribosome.
11 -La séquence se poursuit jusqu'à ce que le site A rencontre sur l'ARNm un codon indiquant la
fin. Un facteur de terminaison vient ajouter un groupe COOH à l'extrémité Cterminale.
12-Le dernier ARNt est libéré, le polypeptide relâché et le ribosome séparé
7
DEUXIEME PARTIE: MANIPULATIONS
Vous avez devant vous un sac comprenant un ribosome, des ARN de transfert et des acides aminés. Il y a
aussi 4 petites chaines linéaires de ARNm..
1-
Sortez les composantes et séparez les ARNt et acides aminés.
2-
ACTIVATION DES ACIDES AMINÉS: Appariez chaque ARNt avec l'acideaminé
correspondant et disposez les couples pour faciliter leur repérage. Observez les symboles
incomplets sur l'anti-codon de l'ARNt. Dans la vraie synthèse des protéines, ceci s'appelle
l’activation des acides aminés.
Simulation de la synthèse des protéines: ARNm #1
(Vous travaillez par 2. Un est ‘ribosome’, l’autre est ‘ARNt’)
1-
Prenez l'ARNm #1 et notez à la page suivante sur la ligne prévue à cette fin, la séquence
des bases de 5' vers 3', par groupe de 3 bases Ce seront vos codons.
2-
Introduisez l'extrémité biseautée de l'ARNm dans le coin biseauté du ribosome.
Avancez l'ARNm jusqu'à ce que l'extrémité 5'soit en ligne avec l'extérieur du site
"P" du ribosome".
3-
Un codon AUG vu à l'envers sera en face du site "P" du ribosome. Ceci est normal
puisque la traduction commence toujours par le codon AUG le plus près de l'extémité
5' de l’ARNm.
4-
Allez chercher un ARNt lié avec la méthionine, placez-le sur le site "P" et fixez-le sur
le codon de l'ARNm. Notez la complémentarité des symboles à la jonction des 2
ARN.
5-
Un 2ème codon est au-dessus du site "A" du ribosome. A l'aide des symboles
repérez l'ARNt qui devrait venir s'y fixer. Vérifiez dans le tableau du code génétique
si l'acide aminé qui est lié avec l'ARNt est celui qui correspond au codon de
l'ARNm.
6-
Détachez la méthionine de son ARNt, au site "P" et fixez la mét. sur l'acide aminé du
site "A".( ce devrait être l'Arginine)
7-
L'ARNt du site "P" est libre et s'en va dans le cytoplasme.
8-
Le ribosome se déplace d’un codon vers l’extrémité 3’ de l’ARNm.
9-
L'ARNt avec l'Arg. et la Met. se retrouve au site "P" et un nouveau codon CUG
attend au site "A". Ce codon appelle un autre anti-codon sur l'ARNt, avec l’Ac.Am. qui
lui correspond.
10-
Continuez la progression du ribosome jusqu'à ce qu'il ait traduit l'ARNm au complet.
Notez la séquence des Ac. Am., sous la séquence des codons. et revérifiez avec le
tableau du code génétique.
8
A remettre: les pp. 8 à 13.
/ 5 points
Vos noms _______________________
Une copie par groupe de 2 élèves .
_______________________
pour le : 2007 / 11 / _____
Placez un triplet par espace
ARNm #1
ARNm 5'
_________- _________- _________- _________- _________- _________ 3'
Ac. Ami :
_________- _________- _________- _________- _________- _________
ARNm #2
Répetez les mêmes opérations avec l' ARNm #2. Inscrivez vos résultats.
ARNm 5'
_________- _________- _________- _________- _________- _________ 3'
Ac. Ami :
_________- _________- _________- _________- _________- _________
La chaine d'acides aminés que avez obtenue diffère-t-elle de la première ?
Comparez les 2 brins d'ARNm #1 et #2 et trouvez leurs différences.
Expliquez le résultat produit
9
ARNm #3
Répetez les mêmes opérations avec l' ARNm #3. Inscrivez vos résultats.
ARNm 5'
_________- _________- _________- _________- _________- _________ 3'
Ac. Ami :
_________- _________- _________- _________- _________- _________
La chaine d'acides aminés que avez obtenue différe-t-elle de la première ?
Comparez les 2 brins d'ARNm #1 et #3 et trouvez leurs différences.
Expliquez le résultat produit
10
ARNm #4
Répetez les mêmes opérations avec l’ ARNm #4. Inscrivez vos résultats.
ARNm 5'
-
-
-
-
Ac. ami.:
-
-
-
-
3'
La chaine d'acides aminés que avez obtenue diffère-t-elle de la première ?
Comparez les 2 brins d'ARNm #1 et #4 et trouvez leurs différences.
Expliquez le résultat produit
11
EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES
1- Quelle serait la séquence des bases du brin d'ADN qui donnerait le ARMm (mRNA) #1 ?
2- Quelle serait la séquence des bases du brin d'ADN qui donnerait le ARMm (mRNA) #2 ?
3-Répondez aux questions suivantes:
3.1
3.2
On croit que l'ADN est le matériel génétique parce que:
a)
toutes les cellules somatiques d'un individu semblent posséder la même quantité et
la même composition d'ADN, alors que les cellules germinales en ont deux fois
moins.
b)
les protéines sont les mêmes dans toutes les cellules d'un individu, tandis que leur
ADN diffère; l'ADN doit donc être le matériel responsable de la différence entre les
tissus.
C)
l'ADN. est la plus grosse des macromolécules trouvées chez les organismes
vivants.
d)
l'ADN est renfermé dans le noyau de la cellule.
Dessiner le brin complémentaire de cette matrice d'ADN.
3' sucre – A
I
P
I
sucre - C
1
P
I
sucre - T
I
5’
P
12
3.3
Dans une molécule d'ADN, les sucres se lient :
a)
de façon covalente aux bases azotées..
b)
aux groupements phosphate par des liens ioniques et aux bases azotées, par des liaisons
hydrogène.
c)
de façon covalente aux groupements phosphate.
d)
aux bases azotées par des liaisons hydrogène
e)
de façon covalente aux groupements phosphate et aux bases azotées.
3.4
Selon le principe de la complémentarité des bases, indiquez les bases des brins d'ARN
formés par la transcription des brins d'ADN suivants:
a)
ADN A-G-T-T-G-C-C-T-G-C-T-T-A-G
b)
ARN
___________________________
ADN
T-G-G-C-C-C-A-G-C-T-A-C-C-G
ARN
___________________________
ADN
T-T-T-A-C-G-C-A-C-C-C-G-G-T
ARN
__________________________________
3.5
Écrire les séquences d'acides aminés obtenues à partir de la traduction des ARNm suivants:
a)
5’ A-U-G-C-A-U-A-G-A-A-G-G-C-C-U-A-U-U-G-U-A 3’
b)
5’ C--A-U-G-U-U-U-C-U-U-A-A-A-G-G-U-C-G-U-U
3.6
Écrire la séquence d'ARNm produite par la transcription de la cheine suivante d'ADN, ainsi que la
séquence d'acides aminés résultant de la traduction de cet ARNm:
3' T-A-C-A-A-G-T-A-C-T-T-G-T-T-T-C-T-T 5’
13
3.7
Supposons que dans'la question précédente, on remplace les deux nucléotides de guanine
(G) de l'ADN par des nucléotides de cytosine (C). Comment cette mutation modifierait
elle la séquence d'acides aminés codés par l'ARNm?
3.8 Supposons que les deux nucléotides de guanine (G) sont excisés (enlevés)de l'ADN schématisé à la
question 3.6 Comment cette mutation modifierait-elle la séquence d'acides aminés codés par
l'ARNm?
3.9
Selon les idées en cours sur la synthèse des protéines, trouvez le ou les énoncés qui sont vrais.
a)
la synthèse d'ARNt spécifiques à des acides aminés déterminés se réalise grâce à une
matrice d'ARN dans le cytoplasme.
b)
les acides aminés s'alignent vis-à-vis des codons correspondants d'ARNm sur le ribosome
et ils sont ensuite réunis par de FARNt.
c)
les enzymes qui catalysent les réactions de synthèse de protéines dans le cytoplasme sont
codées par des gènes activateurs.
d)
les ARNt transportent de 'ARNm depuis le noyau jusqu'aux ribosomes.
e)
l’ARNm, synthétisé à partir d'une matrice d'ADN dans le noyau, fournit l'information qui
détermine la séquence des acides aminés lors de la traduction.
3.10
Indiquez trois différences entre la structure de l'ADN et celle de l’ARN.
3.11
L'ARNt est synthétisé:
a)
à partir d'une matrice d'ADN.
b)
à partir d'une matrice d'ARNm sur un ribosome.
c)
sur les ribosomes, sans matrice
d)
dans le nucléole, grâce à l'interaction de l'ARN messager et de l'ADN
chromosomique.