Semaine 4 + 5

LA SYNTHESE DES PROTEINES.
PROBLEMATIQUE :
QUEL EST LE SYSTEME DE CORRESPONDANCE ENTRE L’ADN (LES GENES) ET LES PROTEINES ?
QUELS SONT LES MECANISMES DE LA SYNTHESE DES PROTEINES ?
1- EXPRESSION DE L’INFORMATION GENETIQUE, UNE APPROCHE
GLOBALE DE DEUX GRANDES ETAPES :
LA TRANSCRIPTION ET LA TRADUCTION.
Activité 1 : Une démarche scientifique pour expliquer les deux grandes étapes de l’expression d’un gène.
Exercices p43
Correction :
LE ROLE DE L’ARNm.
1- Doc1. Question : Expliquez pourquoi l’ADN ne peut pas diriger directement la synthèse des protéines.
Réponse :
ADN
 noyau
Synthèse des Protéines  cytoplasme
Donc l’ADN ne peut pas diriger directement la synthèse des protéines.
D’où le problème :
Comment l’information est-elle transmise du noyau au cytoplasme ?
Pour répondre au problème :
- une observation microscopique
- une expérience d’autoradiographie
2- Doc2. Question : Que montre la coloration des cellules au vert de méthyle-pyronine ?
Réponse :
- ADN en bleu-vert  noyau
- ARN en rose
 cytoplasme (et nucléole)
3- Doc3. Question : Où se forment les molécules d’ARN ? Où les voit-on 2 heures plus tard ? Quelle hypothèse peut-on
formuler ?
Réponse :
La radioactivité passe du noyau au cytoplasme
La localisation du précurseur de l’ARN correspond au lieu où l’ARN est synthétisé, donc dans le noyau.
Puis la radioactivité passe du noyau vers le cytoplasme.
On peut donc émettre l’hypothèse que l’ARN se forme dans le noyau cellulaire puis le quitte et se localise dans le cytoplasme.
Donc : L’ARN serait un intermédiaire entre l’ADN et les Protéines.
Pour vérifier l’hypothèse : - une observation microscopique
- une expérience pour confirmer ou infirmer l’hypothèse de façon décisive.
4- Doc4. Question :
Comment expliquer les variations de la quantité d’AA incorporés dans des protéines ?
Quelles propriétés des ARN injectés sont ici mises en évidence ?
Réponse :
AA seuls (sans ADN ni ARN)
A t0 et t30 :
AA + ARN
Puis mesure ARNm = f (AA dans Protéines)
Résultats : Les ARNm diminuent tandis que les AA incorporés dans les protéines augmentent.
Donc : Les ARNm sont nécessaires à l’incorporation des AA.
Les ARNm ont une durée de vie courte.
5- Doc5. Question :
Justifiez le terme de « messager » donné aux ARN étudiés. Proposez une définition pour les mots « transcription » et
« traduction ».
Réponse :
Présence de pores sur la membrane nucléaire.
Les ARNm transmettent un message de l’ADN vers le cytoplasme.
La présence de pores sur la membrane nucléaire conforte l’idée de passage du noyau vers le cytoplasme)
D’où les définitions :
- La transcription est la copie sous forme d’ARNm, dans le noyau et à partir de l’ADN, d’un gène à exprimer.
- La traduction est l’assemblage des AA en protéines, dans le cytoplasme, selon le message transmis par l’ARN m.
6- Doc6. Question :
-1-
Quelles caractéristiques de l’expression de l’information génétique sont illustrées par ce dessin ?
Réponse :
Dans une cellule, tous les gènes ne s’expriment pas et ceux qui s’expriment le font avec un degré variable.
La notion de spécialisation cellulaire peut s’expliquer ainsi.
Résumé : L'expression de l'information génétique se fait en deux étapes : TRANSCRIPTION et TRADUCTION.
-2-
PROBLEME : QUEL EST EN BREF, LE MECANISME DE TRANSCRIPTION ?
2- LA TRANSCRIPTION.
Activité 2 : PRESENTATION DE L’ARNm :
Exercices 1, 2 Bp45
Correction :
1- Doc1. Question : Relevez la séquence de nucléotide constituant l’ARN m.
Réponse :
La séquence des nucléotides de l’ARNm est :
GAAUUAGCG
2- Doc1 et 2. Question : Pourquoi dit-on que l’ARNm est le support de la même information génétique que l’ADN ?
Réponse :
* Au niveau de l’ADN : les 2 brins sont complémentaires
* Lors de la transcription, on parle de brin d’ADN transcrit et de brin d’ADN non transcrit
* L’ARNm est complémentaire du brin transcrit
* Et donc cet ARNm est identique (sauf pour T remplacé par U) au brin d’ADN non transcrit
* L’ADN porte l’information de milliers de gènes (longue molécule), l’ARN l’information d’un gène (molécule courte)
Exemple 1 :
2 chaînes (Double hélice) :
1 chaîne
:
Exemple 2 :
2 chaînes (Double hélice) :
1 chaîne
:
ADN brin 1
ADN brin 2
ARNm
CCTGATGCT
GGACTACCA
CCUGAUGGU
brin non transcrit
brin transcrit copié
ARNm identique au brin non transcrit
ADN brin 1
ADN brin 2
ARNm
TGCATGGCT
ACGTACCGA
UGCAUGGCU
brin non transcrit
brin transcrit copié
ARNm identique au brin non transcrit
Ainsi, l’ARNm est le support de la même information génétique que l’ADN car :
- comme l’ADN, l’ARN est le support d’un message codé par une séquence de nucléotides de 4 types (A U C G)
- c’est l’ordre qui constitue le message
- l’ARNm est strictement identique à l’un des brins d’ADN (brin non transcrit) du gène correspondant (sauf U remplacé par T
mais ceci ne modifie pas le message)
- si on connaît une séquence d’ARNm, il est facile de déduire la séquence correspondante d’ADN, et inversement.
Exemple :
1 chaîne
:
2 chaînes (Double hélice) :
ARNm
ADN brin 1
ADN brin 2
UGAAGGCUC
TGAAGGCTC
ACTT CCGAG
ARNm identique au brin non transcrit
brin non transcrit
brin transcrit copié
Activité 3 : LES MECANISMES DE SYNTHESE DE L’ARNM Exercices 3, 4 Bp45
Correction :
3- Doc3 et 4. Question :
Etude du schéma de transcription.
Etude de l’observation d’une transcription au ME.
Quelle propriété fondamentale des nucléotides permet d’obtenir, sous forme d’ARN m, des copies du gène à exprimer ?
Réponse :
Propriété des nucléotides :
Ainsi, la propriété concernant les nucléotides est la « complémentarité », c'est-à-dire l’union des nucléotides 2 à 2 :
- appariement de A avec U et C avec G ;
- d’où l’appariement provisoire dans le noyau entre l’ARN m et le brin d’ADN transcrit
- ceci grâce à l’ARN polymérase ; cette enzyme progresse le long de l’ADN et détache, en fin de transcription du gène,
l’ARNm qui sortira du noyau pour gagner le cytoplasme, lieu de la traduction de cet ARN m en protéines.
4- Doc4. Question : Pourquoi peut-on dire que les molécules d’ARN-polymérase « travaillent à la chaîne » le long d’un gène ?
Réponse :
Chaque filament correspond à un ARN m, donc à la copie d’un gène à exprimer.
Il y a une ARN-polymérase par filament d’ARNm laquelle se déplace du début du signal de transcription jusqu’au signal de fin
de transcription, c'est-à-dire le long d’une unité de transcription (1 gène).
Les molécules d’ARN-polymérase se suivent, elles travaillent « à la chaîne » le long d’un gène pour exécuter strictement la
même opération, c'est-à-dire « transcription » du gène en ARNm.
Question Bilan : Donner une définition et expliquez le mécanisme de la transcription.
Correction :
- Définition : Au cours de la transcription, un ARN messager complémentaire du brin transcrit de l'ADN est synthétisé.
- mécanisme : faire le schéma fig3 Bp45.
-3-
PROBLEME : QUEL EST EN DETAIL LE MECANISME DE TRADUCTION ?
3- LA TRADUCTION.
Problème :
- ADN et ARN sont des séquences de nucléotides
- Les protéines sont des séquences d’Acides Aminés.
Quel est le système de correspondance entre l’ADN (les gènes) et les protéines ?
Activité 4 : LE CODE GENETIQUE : un système de correspondance universel et dégénéré : Exercices 1 à 6 Bp47
Correction :
1- Doc1. Question : Qu’est-ce qui détermine les différences de séquence observées entre les insulines de différents
mammifères ?
Réponse :
Les AA 8, 9, 10 sont différents :
- homme :
Thr, Ser, Ile
- bœuf :
Ala, Ser, Val
- mouton :
Ala, Gly, Val
L’expérience de transgénèse vérifie que c’est la séquence d’ADN du gène qui détermine précisément la séquence des AA de la
protéine : c’est bien de l’insuline humaine qui est produite par une bactérie à partir du gène transféré.
2- Doc 2. Question :
Formulez une hypothèse pour rendre compte du fait qu’une séquence de 4 types de nucléotides sur le gène peut guider sans
ambiguïté la mise en place d’une séquence de 20 types d’AA dans la chaîne protéique.
Réponse : C’est la séquence des nucléotides du gène qui détermine la séquence des AA de la protéine : 3 nucléotides code
pour 1 AA.
3- Doc 3. Question :
Sélectionnez un codon (par exemple « CUG », recherchez-le dans chacune des séquences et relevez le ou les AA qui lui
correspondent ; que constatez-vous ? Peut-on trouver des codons différents pour un même AA ?
Réponse : CUG code pour Leu.
Constatation :
- Leu peut être codée par plusieurs triplets de nucléotides = code dégénéré (ou redondant) :
Exemple :
CUG (3ème AA de la bêta globine)
CUC (3ème AA de l’hormone FSH)
UUG (5ème AA de la tyrosinase).
4- Doc 3. Question : Comment expliquer l’origine de la drépanocytose (maladie étudiée p16) ?
Réponse :
Chez les malades le 6ème AA de la béta-globine est Val et non Glu.
Or, Glu est codé par le codon GAG pour l’HbA normale et Val par GUG pour HbS drépanocytaire.
La maladie est donc bien d’origine génétique : elle est due à une modification de la séquence d’ADN du gène, c'est-à-dire une mutation.
5- Doc 1 et 4. Question : Identifiez les triplets de nucléotides du gène de l’insuline humaine correspondants aux AA 8, 9 et 10.
A l’aide du code génétique, vérifiez que les AA qui occupent cette position correspondent bien à ces triplets.
Réponse :
ADN ARNm
AA
TGG
TCG
TAG
ACC
AGC
AUC
Thr n°8
Ser n°9
Ile n°10
Ce sont bien les AA que l’on trouve à cette place dans l’insuline humaine produite.
6- Doc 1 à 4. Question : Recherchez des arguments qui témoignent du caractère universel du code génétique.
Réponse :
L’expérience de transgénèse (doc1) montre bien l’universalité du code génétique : une bactérie associe, d’après le message de
l’ADN, les mêmes AA que le fait une cellule humaine. Ces deux cellules utilisent donc le même système de correspondance.
Le document 3 permet de constater qu’un triplet de nucléotide code pour le même AA, aussi bien pour les gènes humains que
pour le gène bactérien. Il n’existe qu’un seul code génétique.
Résumé :
La séquence des acides aminés est gouvernée par celle des nucléotides de l'ARN messager suivant un système de
correspondance, le code génétique.
Ce code génétique est universel, univoque et dégénéré.
-4-
Problème : Un Acide Aminé est codé par un triplet de nucléotide (code génétique), mais quels sont les
mécanismes d’assemblages de ces AA dans une protéine, c'est-à-dire quel est le mécanisme de la synthèse
des protéines ?
Activité 5 : DECODAGE DE L’ARNm ET SYNTHESE DES PROTEINES :
LA TRADUCTION DE L’ARNm EN PROTEINES.
Exercice 1 à 3 Bp49
Correction :
1- Doc1. Question : Que montre l’expérience d’autoradiographie ? En admettant que chaque ribosome effectue la synthèse
d’une protéine, que peut-on dire des protéines formées au sein d’un même polysome ?
Réponse :
L’expérience d’autoradiographie montre que les AA injectés sont assemblés en protéines.
La concentration de la radioactivité en premier lieu au niveau des ribosomes (qui sont aussi liés à l’ARN m) est un argument en
faveur du rôle de ces organites dans cet assemblage.
Au sein d’un même polysome, tous les ribosomes parcourent le même ARN m.
L’assemblage des AA suivra dons le même message génétique, en respectant le système de correspondance qu’est le code génétique.
Toutes les protéines formées par les ribosomes d’un même polysome auront la même séquence d’AA et seront donc
rigoureusement identiques.
2- Doc2. Question : Comment débute et comment s’arrête la traduction ? (Vérifiez sur le code génétique Bp47).
Réponse :
Toutes les séquences d’ ARNm débutent par le codon AUG (auquel correspond la Met). On peut donc penser que ce codon
constitue en quelque sorte un signal de début de traduction.
Certains codons (ici UAA ou UGA mais il y a aussi UAG) n’ont, d’après le code génétique, pas d’AA correspondant. Après un
tel codon, l’assemblage des AA en protéines est stoppé.
3- Doc3. Question : En quelques phrases, expliquez le mécanisme de la traduction.
Réponse :
Le mécanisme de la traduction est l’œuvre d’organites spécialisés, les ribosomes.
Un ribosome se fixe à l’ ARNm au niveau du codon d’initiation AUG.
En se déplaçant de proche en proche le long de l’ARN m, un ribosome associe par liaison peptidique les AA correspondants aux
codons rencontrés, en respectant le système de correspondance qu’est le code génétique.
La rencontre de l’un des trois codons « stop » arrête la traduction.
Plusieurs ribosomes se déplacent le long d’un même ARN m, synthétisant « à la chaîne » des protéines identiques.
TM : faire le schéma fig3 p49
Résumé :
La molécule d'ADN d'un chromosome est le support de très nombreux gènes
La séquence des acides aminés des protéines est imposée par l'information génétique située dans la molécule d'ADN grâce
à la traduction.
La traduction permet la synthèse cytoplasmique de chaînes polypeptidiques. Elle débute au codon d'initiation et s'arrête
au codon stop.
Ainsi, un gène est défini comme une séquence de nucléotides d'un brin d'ADN déterminant la séquence d'un polypeptide
donné.
Bilan des Objectifs Cognitifs vus en cours : connaissances pour la composition
PLAN ATTENDU :
Introduction / Transcription + schéma + accompagn. P22 / Le code génétique / Traduction + schéma + accompagn. P22 /
Conclusion
- La transcription est la copie sous forme d’ARNm, dans le noyau et à partir de l’ADN, d’un gène à exprimer.
- La traduction est l’assemblage des AA en protéines, dans le cytoplasme, selon le message transmis par l’ARN m.
L'expression de l'information génétique se fait en deux étapes : TRANSCRIPTION et TRADUCTION.
Au cours de la transcription, un ARN messager complémentaire du brin transcrit de l'ADN est synthétisé.
La séquence des acides aminés est gouvernée par celle des nucléotides de l'ARN messager suivant un système de correspondance,
le code génétique.
Ce code génétique est universel, univoque et dégénéré.
La molécule d'ADN d'un chromosome est le support de très nombreux gènes
La séquence des acides aminés des protéines est imposée par l'information génétique située dans la molécule d'ADN grâce à la
traduction
La traduction permet la synthèse cytoplasmique de chaînes polypeptidiques. Elle débute au codon d'initiation et s'arrête au codon
stop.
Ainsi, un gène est défini comme une séquence de nucléotides d'un brin d'ADN déterminant la séquence d'un polypeptide donné.
-5-
TP4
FICHE ELEVE
TRAVAIL SUR SITE
1ERE S2
Objectif de connaissance : transcription / traduction
Objectifs méthodologiques : travail sur site – animation et schématisation
Chaque élève réalisera le travail suivant :
I- Transcription.
Rendez-vous à l’adresse suivante :
http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/ADN_Prot/ADN_ARN/ADN_ARN2.html
Cliquez sur « animation complète » : pour chaque travail demandé, vous noterez précisément les informations de l’animation.
1- Dessinez une cellule animale et légendez son contenu.
2- Pourquoi fait-on appel à l’ARN.
3- Dessinez et légendez le contenu du noyau. Même travail pour l’ADN.
4- Représentez un fragment de gène. Notez la complémentarité des bases azotées.
5- Quelles sont les différences entre les nucléotides de l’ADN et ceux de l’ARN ? Vous schématiserez les
différences.
6- Schématisez chacune des principales étapes de la transcription sans oublier de légender et de noter les
commentaires.
II- Le code génétique.
L'information génétique est conservée par la cellule au niveau de son ADN. Cette information est transcrite en ARNm, puis
traduite en protéines. Ce sont ces protéines fonctionnelles qui sont l'expression de l'information génétique. Une étape clé dans
l'expression de l'information génétique est donc la traduction de l'information sous forme nucléotidique en une forme
protéique. Cette traduction est réalisée par triplets de nucléotides : 3 nucléotides codent pour un des 20 acides aminés
naturels. Cette correspondance triplet (ou codons) - acide aminé est le code génétique.
Rendez-vous à l’adresse suivante : http://www.snv.jussieu.fr/vie/documents/codegenet/index.htm
7- Quelles sont les propriétés du code génétique ?
8- Le code génétique : animation
L'animation proposée présente le code génétique. En cliquant sur un acide aminé, le triplet correspondant à l'endroit précis du
code est indiqué, ainsi que les (éventuels) autres codons existant pour cet acide aminé.
Cette animation peut servir à découvrir le code génétique, à apprendre la lecture d'un tableau de code génétique, ou tout
simplement de "référence".
Exercez-vous : cliquez sur les acides aminés pour lire les triplets de nucléotides leur correspondant.
9- Quelques remarques sur le code génétique.
Le code génétique est la correspondance, au niveau de l'ARN messager, entre les triplets de nucléotides et les acides aminés.
C'est sa lecture, lors de la traduction, qui permet la synthèse des protéines à partir de l'information génétique. L'animation
proposée permet d'étudier quelques aspects de ce tableau de correspondance entre les triplets de nucléotide de l'ARNm et les
acides aminés des protéines :
"Lecture" du code : détermination de l'acide aminé correspondant à un triplet de nucléotides.
Redondance du code génétique : il peut exister plusieurs triplets pour un même acide aminé.
Le code génétique à 3 lettres et à 1 lettre.
Quelques curiosités du code génétique.
Rendez-vous à l’adresse suivante : http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/ADN_Prot/ARN_Prot/codegen.htm
Exercez-vous aussi sur :
Animation Flash - le code génétique (quelques remarques)
PC Windows
codedwin.exe (142 Ko)
animation page
animation seule
code2win.exe (142 Ko)
animation + lecteur
codep1win.exe (560 Ko)
-6-
III- Traduction
Rendez-vous à l’adresse suivante : http://www.omega.dawsoncollege.qc.ca/ray/protein/protein.htm
10- Allez au titre 3- Translate (Traduction).
Comprenez les étapes de la traduction puis :
Rendez-vous à l’adresse suivante : http://www.omega.dawsoncollege.qc.ca/ray/protein/panim.htm
Comprenez les étapes de l’animation.
11- Schématisez alors soigneusement chacune des étapes de la traduction.
-7-