Chapitre 2 Nature et expression de l`information - Poly

POLY-PREPAS
Nature et expression de
l’information génétique
1
1
Expression de l’information génétique à
l’échelle cellulaire
2
1-EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE
1.1- STRUCTURE DE L'INFORMATION GENETIQUE:
L'information génétique est définie par l'activité de la molécule d'ADN. L'ADN, support
de l'information génétique, est formé par un arrangement caractéristique de l'espèce de
quatre types de nucléotides qui se distinguent par leur bases azotées. Les nucléotides se
reconnaissent deux à deux (A reconnaît T et réciproquement et C reconnaît G et
réciproquement) ce qui fait que cette molécule est formée de deux chaînes
complémentaires.
Un nucléotide est une association de: base azoté + désoxyribose + acide phosphorique
Un gène est une séquence de nucléotides d’un brin d’ADN déterminant la séquence
d’un polypeptide donné.
2
Structure secondaire de l’ADN
3
Dans l'espace, cette molécule se présente en double hélice. Au cours de la réplication
de la molécule d'ADN, chaque chaîne ancienne construit une nouvelle chaîne qui lui est
complémentaire et qui est identique à celle avec laquelle elle était associée. On parle,
alors, d'une duplication ou réplication semi-conservative de la molécule d'ADN.
3
Expression de l’information génétique
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1.2- EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE:
Chaque individu présente un ensemble de caractères qui correspondent à son
phénotype. Ces caractères sont le produit de l'expression du matériel génétique
puisqu'ils sont transmissibles à travers les générations. L'expression de ces
caractères revient à la présence de protéines spécifiques (c'est -à- dire à un
arrangement spécifique en acides aminés).
Plusieurs expériences telles que l'utilisation d'acides aminés radioactifs ont
montré que la synthèse des protéines se fait dans le cytoplasme alors que
l'information génétique est localisée dans le noyau. Ces observations ont laissé
comprendre que la synthèse protéique ne se fait pas directement à partir de la
molécule d'ADN d'où la nécessité d'un intermédiaire capable de se déplacer
entre le noyau et le cytoplasme pour transporter l'information génétique jusqu'à
la machine de synthèse protéique. Cet intermédiaire est l'ARN messager.
Dans nos cellules il y a trois types d'ARN à savoir:
- ARN messager noté ARNm.
- ARN de transfert noté ARNt qui fait reconnaître les acides aminés à l'ARNm
pour synthétiser les protéines.
- ARN ribosomique noté ARNr qui rentre dans la structure du ribosome qui
forme la machine de synthèse protéique.
Ainsi, on comprend que l'expression de l'information génétique se fait en deux
étapes:
-Transcription: on appelle transcription la conversion du gène en ARNm
- Traduction: on appelle traduction la conversion de l'ARNm en protéine c'est à
dire en une séquence d'acides aminés.
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Structure de l’ARN
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1.2.1- LA TRANSCRIPTION
A- structure de l’ARN
L’ARN est une macromolécule constituée d’une chaîne de nucléotides.
Chaque nucléotide est composé d’un acide phosphorique, d’un glucide à cinq atomes de
carbone (le ribose), et d’une des quatre bases azotées suivantes : A pour Adénine, U
pour Uracile, C pour Cytosine et G pour Guanine.
Il existe plusieurs types d'ARN qui assurent des fonctions différentes dans les cellules.
L’ARN messager assure le transfert de l’information génétique du noyau au cytoplasme.
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La transcription
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B- Mécanisme simplifié de la transcription
La transcription correspond à la synthèse de molécules d’ARNm à partir de l’ADN. Elle
peut être observée au microscope électronique à transmission. Sur le diapo ci-dessus,
un gène présente une activité de synthèse d’ARN m. Chaque filament hérissé de part et
d’autre du fragment d’ADN correspond à une molécule d’ARN m en cours de synthèse.
Lors de la transcription d’un gène, la molécule d'ADN « s'ouvre », au niveau de ce gène,
par rupture des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires des deux brins.
La synthèse d’une molécule d'ARN m s'effectue au contact d’un des deux brins de l’ADN,
appelé brin transcrit, par assemblage de nucléotides libres dans le noyau suivant un
ordre précis imposé par la complémentarité des bases entre l’ARN m et le brin d’ADN.
Les règles d’appariement des bases de l’ARN m et du brin transcrit de l’ADN sont
pratiquement similaires à celles qui régissent l’appariement des deux brins d’ADN. La
différence réside dans le fait que le nucléotide à base U de l’ARN m s’apparie avec le
nucléotide à base A de l’ADN.
Lorsque une molécule d'ARN m est formée, elle se sépare de l'ADN et quitte le noyau
par les pores présents au niveau de la membrane nucléaire.
L’ARN polymérase est un complexe enzymatique qui catalyse la transcription de l'ADN
en ARN m. L’ARN polymérase reconnaît sur l'ADN les séquences de nucléotides qui
signalent le début et la fin de la transcription.
La synthèse d’ARN consomme de l'énergie.
6
La transcription chez les procaryotes
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C-Cas du gène procaryote:
L'observation du gène procaryote laisse constater que l'ARNm synthétisé est
directement utilisé pour la synthèse protéique. Donc, chez les procaryotes, l'ARNm
correspond nucléotide par nucléotide à la portion transcrite du gène.
7
La transcription chez les eucaryotes
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D-Cas des eucaryotes:
Dans ce cas le gène est formé de deux catégories de séquences nucléotidiques:
- Les exons: qui correspondent aux séquences codantes et se trouvent sous forme
complémentaire dans l'ARNm exporté vers le cytoplasme.
- Les introns: qui correspondent à des séquences non codantes, insérées entre les exons
et qui n'ont pas de complémentaires dans l'ARNm utilisé pour la synthèse protéique.
Le gène eucaryote est, ainsi, dit morcelé ou en mosaïque.
Suite à cette structure, la transcription du gène eucaryote se fait en deux phases:
d'abord le gène est transcrit en sa totalité (exons et introns) pour donner un premier
ARN dit ARN préméssager .
Puis, au niveau même du noyau, l'ARN préméssager subit une excision des parties
correspondantes aux introns et un épissage des parties correspondantes aux exons pour
donner, en fin, l'ARNm qui sera transféré vers le cytoplasme.
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Le code génétique
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1.2.2- LA TRADUCTION:
La traduction consiste à faire correspondre la séquence nucléotidique de l'ARNm à la séquence
d'acides aminés de la protéine. La question qui s'impose est : comment peut-on faire
correspondre les quatre nucléotides de l'information génétique aux vingt acides aminés des
protéines?
Le code génétique:
La réponse à cette question a permis de définir le code génétique. Ce code a été mis en place à
la suite d'un raisonnement mathématique qui a été confirmé par l'expérimentation. En effet, si
on fait correspondre à un nucléotide un acide aminé (41=4) on n'obtient pas un arrangement
satisfaisant puisqu'une protéine ne renfermera au maximum que quatre acides aminés
différents! Ce qui n'est pas le cas dans la nature. De même, un arrangement qui fait
correspondre deux nucléotides à un acide aminé n'est également pas satisfaisant (42=16).
Comme on peut le constater sur le diapo ci-dessus, parmi les 64 CODONS :
– 61 désignent un acide aminé ;
– 3 commandent l'arrêt de la synthèse protéique et sont appelés codons stop ou codon non-sens
(UAA, UAG et UGA).
Certains codons désignent le même acide aminé. Par exemple la leucine correspond à six codons
différents.
A cause de cette particularité, le code génétique est dit redondant ou dégénéré.
Ce code possède 5 propriétés:
A-Le code génétique est dégénéré: c'est-à-dire que la plupart des acides aminés sont définis par
plus d'un seul codon.
B-Le code génétique n'est pas chevauchant: c'est à dire qu'un nucléotide n'appartient qu'à un
seul codon et la lecture se fait codon par codon.
C-Le code génétique est à quelques exceptions près universel.
D-le doublet initial peut être seul déterminant
E-Trois codons ne définissent aucun acide aminé et sont ainsi appelés codons stop ou codons
non sens. Il s'agit des codons UAA, UAG et UGA.
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La traduction chez les eucaryotes
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A- La machine de synthèse:
La machine de synthèse est formée d' acides aminés, de l'ARNm, de ribosomes (voir
schéma) et de l'ARNt qui est formé d'une chaîne nucléotidique associée à des protéines
et qui présente la forme d'une feuille de trèfle avec quatre pôles dont un qui forme un
site de fixation de l'acide aminé et un autre qui est formé d'un triplet complémentaire
au codon correspondant à l'acide aminé en question et qu'on appelle anti-codon.
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Mécanisme de la traduction
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B- Mécanisme de la traduction
La traduction de l'ARNm en protéine se fait en trois phases successives:
A-La phase d'initiation:
L'ARNm, libre dans le cytoplasme, sera fixé par une petite sous-unité du ribosome tel qu'un
codon initiateur (toujours le même) AUG sera exposé en premier plan ce qui va faire appel à une
grande sous-unité du ribosome qui couvre l'ensemble. Cette sous-unité est formée de deux
sites: site A et site P. Le site P se trouve déjà en face du codon initiateur ce qui fait appel à un
ARNt initiateur puisqu'il porte l'anti-codon UAC et un acide aminé initiateur: la méthionine. La
fixation de cet ensemble dans le site P déclenche la synthèse protéique.
B-La phase d'élongation:
Le site A de la grande sous-unité étant libre devant le deuxième codon, ceci fait appel à un
deuxième ARNt qui porte le deuxième acide aminé. L'installation de cet ARNt dans le site A
stimule la formation de la liaison peptidique entre les deux acides aminés et la rupture de la
liaison entre le premier ARNt et son acide aminé ce qui rend le site P libre d'où le glissement du
ribosome d'un codon. Ainsi, le site A devient libre devant le troisième codon et le site P héberge
le deuxième ARNt chargé des deux premiers acides aminés ce qui stimule l'arrivée d'un
troisième ARNt qui porte le troisième acide aminé et ainsi de suite.
C-La phase de terminaison:
En face d'un codon non-sens, et comme il n'existe aucun ARNt capable de reconnaître ce codon,
la synthèse s'arrête par la libération de la chaîne peptidique et le détachement des deux sousunités du ribosome. Si l'acide aminé initiateur ne fait pas partie de la protéine synthétisée, il sera
également libéré.
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Conclusion
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CONCLUSION:
Le phénomène de l'expression de l'information génétique est un phénomène rapide
puisqu'on a constaté chez des bactéries l'association d'acides aminés pouvant atteindre
350 par minute. Il est également amplifié puisqu'un seul gène peut être transcrit
plusieurs fois en même temps pour produire plusieurs ARNm correspondants, de même,
un seul ARNm peut être lu par plusieurs ribosomes en même temps pour former ce
qu'on appelle un polysome (chez l'Homme, un ARNm peut porter de 5 à 20 ribosomes
successifs).
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Phénotype et protéines
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Les échelles d'observation du phénotype: la sicklémie
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1-Les échelles d'observation du phénotype: la sicklémie
- l'organisme: dans la sicklémie ou drépanocytose, maladie héréditaire du sang, rien ne
distingue extérieurement un individu sain d'un malade: ce dernier présente une anémie
chronique, des crises de douleurs articulaires (la radiographie révèle des nécroses
osseuses et cartilagineuses); la mortalité est élevée.
- la cellule: au niveau cellulaire, les hématies ont une forme de faucille chez les
malades lorsque la pression en dioxygène est faible, une forme de disque biconcave
chez les sujets sains.
Observé au microscope électronique, le globule rouge drépanocytaire désoxygéné
apparaît rempli d'un gel formé par des cristaux allongés longs de 1 à 15 µm constitués
par des polymères d'hémoglobine: déformé par ces structures fibreuses tubulaires, il
prend une forme caractéristique en faucille.
- la molécule: l'hémoglobine est une protéine du cytoplasme des hématies. Elle est
constituée de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux: deux chaînes et
deux chaînes .
Protéines-enzymes
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2-Les protéines-enzymes:
2.1-- Protéines et phénotype
la réalisation du phénotype dépend étroitement de l'intervention des protéines. Une protéine est une
molécule réalisant une fonction biologique donnée.
Exemples:
- hémoglobine et transport des gaz respiratoires,
- myosine et actine interviennent dans la contraction musculaire.
2.2--Enzymes
Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction biochimique. La catalyse (du grec : catalusis =
dissolution) est la modification de la vitesse d’une réaction chimique produite par certaines substances
(nommées catalyseurs) qui se retrouvent intactes à la fin de la réaction.
Une enzyme ne fait qu’accélérer une réaction initialement possible sous des conditions différentes et
permet de la rendre réalisable dans les conditions de la cellule
Nous prendrons l'exemple de la synthèse de la mélanine, pigment donnant sa couleur à la peau.
La voie de biosynthèse de la mélanine est connue: elle débute par l'intervention d'un précurseur, un acide
aminé, la L-tyrosine, et comprend six étapes:
Les deux premières étapes (1) et (2) sont catalysées par une même enzyme: la tyrosinase. C'est le défaut
d'activité de cette enzyme qui est responsable de l'absence de mélanine, donc de l'albinisme (phénotype
se caractérisant notamment par l'absence de coloration au niveau de la peau). Ainsi les molécules
protéiques que sont les enzymes, par leur présence ou leur absence, interviennent dans la réalisation du
phénotype.
Une protéine est constituée d'un enchaînement d'acides aminés: il en existe 20 naturels. Le nombre
d'acides aminés constitutifs variant d'une protéine à l'autre, les protéines se caractérisent donc par leur
extrême diversité (un enchaînement de n acides aminés offre 20en séquences différentes).
La diversité des protéines est donc à l'origine de la variabilité des caractères phénotypiques.
Catalyse enzymatique
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3- LES ENZYMES, DES PROTEINES ESSENTIELLES
3.1- La catalyse enzymatique:
- les enzymes sont des biocatalyseurs,
- les enzymes agissent à faible concentration,
- la vitesse d'une réaction enzymatique est élevée (~1000 molécules de substrat /
seconde),
- les enzymes agissent dans les conditions biologiques (température et pression
compatibles avec la vie).
3.2 Les enzymes: une double spécificité: Spécificités enzymatiques de substrat et
spécificité de réaction
Spécificités enzymatiques de substrat : une enzyme donnée n'agit que sur un seul
substrat (son nom indique la nature du substrat sur lequel elle agit): ainsi une
saccharase hydrolyse le saccharose, une amylase, l'amidon, ...
N.B. sur un substrat, plusieurs enzymes peuvent agir, mais la reconnaissance se fait sur
une partie différente de la molécule.
spécificité de réaction : sur un substrat, une enzyme catalyse un seul type de réaction:
ainsi la tyrosine-hydrolase transforme la tyrosine en L-dopa, la tyrosine-kinase en
tyrosine-phosphate, ...
Réaction enzyme-substrat
enzyme + substrat ←−−−−−−→ complexe ES −−−−−−→ produits + enzyme
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3.4- Réaction enzyme-substrat
La catalyse enzymatique nécessite la fixation temporaire de l'enzyme sur le substrat
(complexe E-S) par l'intermédiaire du site actif de l'enzyme:
Enzyme + Substrat -> E-S -> E + Produits
Le complexe E-S a une durée très limitée
Hypothèse : Le filtrat de pomme de terre contient
des enzymes capables de synthétiser de l’amidon à
partir du glucose 1P
(glucose 1 phosphate)
Eau iodée
1
2
3
4
3 min
6 min
1
Témoin : Glucose 1P + eau
2
Glucose 1P + 2 ml de filtrat de
pomme de terre
9 min
3
Glucose 1P + 1 ml de filtrat de
pomme de terre
12 min
4
Glucose 1P + 0,5 ml de filtrat de
pomme de terre
15 min
Bleu violet = Amidon
Brun acajou = Dextrines
Jaune = Glucose
3.5- Expérience
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Conclusion
Le tube n°2 montre une évolution lors du test à l’eau
iodée, la couleur passe du jaune (présence de glucose) au
brun acajou (présence de dextrine) puis au bleu violet
(présence d’amidon) en 15 minutes. Par comparaison avec
le tube témoin, on prouve que c’est bien le filtrat qui
possède la capacité de synthétiser de l’amidon
(polymère) à partir de molécules simples de glucose. Le
filtrat possède des biocatalyseurs (des enzymes) qui
accélèrent une réaction chimique (difficile sans leur
présence), ici une synthèse de l’amidon.
La vitesse enzymatique augmente avec la concentration
des enzymes présentes (Tube 3 et 4).
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Acides aminés
catalytiques,
réagissent avec
le substrat pour
le transformer
en produits au
niveau du site
actif
SUBSTRAT
Liaisons faibles
Liaisons faibles
Acides aminés de
reconnaissances,
fixent le substrat
au niveau du site
actif
Acides aminés de
reconnaissances,
fixent le substrat
au niveau du site
actif
ENZYME
Pont disulfure
entre acides
aminés soufrés non
contigus
Polypeptide
constituant
l’enzyme
Acides aminés ne
faisant pas partie
du site actif
Liaison
faible
20
6-FORME ET ACTIVITE D'UNE ENZYME
6.1- Forme stéréochimique d'une enzyme
- la structure primaire (linéaire) de la protéine-enzyme est déterminée par
l'enchaînement par liaisons peptidiques des acides aminés constitutifs.
- la structure secondaire (spatiale) est réalisée par les liaisons hydrogène, les liaisons
ioniques, les ponts disulfure, entre acides aminés. Celle-ci peut être modélisée par
traitement informatique.
Par ailleurs:
- la biologie moléculaire permet, par mutagenèse, de modifier certains acides aminés
proches du site actif, pour inhiber ou augmenter la capacité catalytique d'une enzyme.
Remarque: la liaison entre un substrat et une enzyme est réversible car les liaisons
établies entre les deux sont faibles.
On peut utiliser des inhibiteurs irréversibles pour bloquer l’action de certaines
enzymes.
Conditions du milieu et catalyse enzymatique
Activité enzymatique des enzymes digestives en fonction du pH
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6.2- Conditions du milieu et catalyse enzymatique
-le pH: chaque enzyme possède un pH pour lequel son activité est optimale, exemple, la
pepsine gastrique a un pH optimal de 2, alors que l’amylase salivaire a un pH optimum
de 7 et 8 pour la trypsine intestinale.
Au pH extrême, le changement d'ionisation des acides aminés du site actif, modifie le
fonctionnement de celui-ci. Pour des valeurs plus éloignées, les chaînes latérales sont
modifiées: l'enzyme perd sa forme et devient inactive.
- la température accélère la vitesse de la réaction et agit sur la configuration spatiale de
l'enzyme.
De part et d'autre de la température optimale, l'enzyme est dénaturée pour des
températures hautes, inactivée de manière réversible pour des températures basses.
Certains micro-organismes présentent des enzymes actives aux températures extrèmes.
Conditions du milieu et catalyse enzymatique
22
La formation du complexe enzyme-substrat
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L’étude de la cinétique d’une réaction enzymatique permet de mesurer la quantité de
produit formé en un temps donné et donc de mesurer la vitesse de la réaction. C’est au
début de la réaction que la vitesse est la plus rapide et est assimilable à une droite.
C’est l’étude de cette vitesse initiale en fonction de la concentration en substrat qui
apporte le plus d’informations sur la cinétique enzymatique (voir diapo ci-dessus)
Si on augmente la concentration de substrat, pour une concentration constante
d’enzymes, la vitesse initiale augmente et atteint, à partir d’une certaine quantité de
substrat, une valeur maximale : les enzymes sont saturées et ne peuvent aller plus vite…
L’existence de cette vitesse maximale et donc de la saturation des enzymes montre qu’il
y a formation d’un complexe enzyme-substrat. Chaque molécule d’enzyme se combine
à une molécule de substrat ; puis la réaction chimique a lieu ; et enfin, le complexe se
dissocie, laissant l’enzyme intacte et libérant le ou les produits.
On peut mesurer l’affinité d’une enzyme pour son substrat (la facilité avec laquelle elle
se fixe à lui) grâce à une valeur particulière appelée constante de Michaelis, définie par
l’intersection entre la courbe de cinétique enzymatique et l’ordonnée Vmax / 2. Plus Km
est faible, plus l’enzyme a d’affinité pour son substrat.
Inhibiteurs compétitifs et non compétitifs : modification Km mais pas de Vmax -->
compétitif. Modification Vmax mais pas de Km --> non compétitif.
Complexité des relations entre gènes,
phénotypes et environnement
24
24
Relations entre génotypes et phénotypes,
cas d’un couple d’allèles
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1- Relations entre génotypes et phénotypes, cas d’un couple d’allèles
De nombreux gènes possèdent plusieurs allèles. Dans ce cas, on peut se demander si à chaque
couple d’allèles définissant le génotype d’un individu correspond un phénotype particulier.
Reprenons l’exemple du gène gouvernant la synthèse de la chaîne ß de l’hémoglobine, différents
allèles et leur origine par mutations de l’allèle le plus répandu sont présentés dans le diapo cidessus.
Les individus homozygotes pour l’allèle le plus répandu ou pour les allèles correspondant aux
mutations 1 et 12 du diapo ci-dessus ont le même phénotype macroscopique (à l’échelle de
l’individu) bien que leur génotypes soient différents.
De même, les homozygotes pour les mutations 4 à 9 possèdent des génotypes différents qui
conduisent tous à un phénotype macroscopique thalassémique. Dans ce cas les phénotypes
moléculaires des individus sont différents : ils correspondent à des chaînes ß anormalement
courtes mais de longueurs différentes. En revanche, les phénotypes des individus sont
identiques.
Les hétérozygotes possédant simultanément l’allèle le plus répandu (conduisant à la synthèse
d’une hémoglobine fonctionnelle HbA) et l’allèle correspondant à la mutation 2 (conduisant à la
synthèse d’hémoglobine drépanocytaire HbS) présentent un phénotype normal pour un taux
d’O2 atmosphérique normal. Le génotype et le phénotype moléculaire de ces hétérozygotes
sont différents de ceux des homozygotes « normaux » ; en revanche leurs phénotypes
macroscopiques peuvent être identiques.
Des situations comparables pourraient être décrites avec d’autres gènes polyalléliques.
Ces exemples montrent que le phénotype d’un individu est le résultat de l’expression de ses
gènes, et que des phénotypes identiques peuvent correspondre à des génotypes différents.
25
Des phénotypes sous la dépendance de
plusieurs gènes-la pigmentation de la peau
26
2-Des phénotypes sous la dépendance de plusieurs gènes
2.1- Exemple 1: l’albinisme
L’albinisme est une anomalie héréditaire qui se traduit par l’absence de mélanines, pigments
normalement présents dans certaines cellules de la peau, du système pileux et des yeux. Cette anomalie
est connue chez de nombreux mammifères
Les mélanines sont synthétisées à partir d’un précurseur courant, l’acide aminé Tyrosine, grâce à une
série de réactions chimiques). Par ailleurs, les mélanines sont synthétisées par des cellules
spécialisées, les mélanocytes, et sont ensuite transportées vers d’autres cellules, les kératinocytes de
la peau et des cheveux par exemple.
Ainsi, la pigmentation dépend à la fois de la biosynthèse des mélanines (voie métabolique catalysée
par plusieurs enzymes donc sous le contrôle de plusieurs gènes) et de leur transport et dispersion dans
certaines cellules de la peau ou du système pileux (étapes également sous le contrôle de plusieurs
gènes).
L’apparition du phénotype albinos résulte généralement de l’interruption du processus de pigmentation
chez des individus possédant deux allèles mutés d’un même gène et conduisant à la synthèse d’un
polypeptide non fonctionnel impliqué dans le processus de pigmentation.
Il est alors possible d’expliquer les cas bien connus par les généticiens de couples d’albinos ayant tous
leurs enfants normalement pigmentés. Dans ces couples un des parents de phénotype albinos est porteur
deux allèles mutés d’un gène alors que l’autre parent également de phénotype albinos est porteur de
deux allèles mutés d’un autre gène du processus de pigmentation.
Chacun de leurs enfants est hétérozygote pour ces deux gènes et possède ainsi pour chacun d’eux
un allèle muté conduisant à la synthèse d’un polypeptide non fonctionnel et un allèle permettant la
synthèse d’un polypeptide fonctionnel. Aucune étape du processus de pigmentation n’est bloquée.
L’enfant est normalement pigmenté.
Les généticiens parlent dans ce cas de complémentation fonctionnelle. Bien que de même phénotype, les
parents possèdent des génotypes différents et chacun d’eux fourni à son enfant l’allèle « fonctionnel
»(permettant la synthèse d’une protéine fonctionnelle ) que l’autre ne possède pas.
Cet exemple montre que le phénotype d’un individu peut résulter de l’expression de plusieurs gènes
qui interviennent successivement dans le temps. Cette situation est beaucoup plus fréquente que ne
le suggère l’étude des cas « scolaires » pour lesquels un phénotype est le résultat de l’expression d’un
seul gène.
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Des phénotypes sous la dépendance de
plusieurs gènes-Les groupes sanguins
27
exemple 2: les groupes sanguins
Les groupes sanguins A, B, AB et O sont définis par la présence, à la surface des globules rouges, de «
marqueurs » situés au niveau de la membrane plasmique des globules rouges. Ces marqueurs sont des
molécules formées d’une chaîne de molécules glucidiques fixée sur une molécule lipidique (cf doc1). Les
individus du groupe A portent au niveau de leurs hématies des molécules de type A, les individus du
groupe B, des molécules du type B, les individus du groupe AB des molécules de type A et
de type B et les individus du groupe O, des molécules du type H (ils n’ont ni les molécules de type A, ni les
molécules de type B).
La synthèse de cette chaîne glucidique se réalise en plusieurs étapes, chacune d’elles étant catalysée par
une enzyme spécifique. Seules les deux dernières étapes sont impliquées dans l’expression spécifique
d’un groupe sanguin (cf doc 2).
- L’avant dernière étape est sous la dépendance d’un gène H dont on connaît deux allèles :
- l’allèle H code pour une enzyme fonctionnelle (H),
- l’allèle h code pour une enzyme non fonctionnelle (h).
Chaque individu possède deux allèles : si les deux allèles sont identiques, les génotypes possibles sont
H//H et h//h. Un individu H//H synthétise l’enzyme H et donc le marqueur H, un individu h//h ne
synthétise pas l’enzyme H et donc pas le marqueur H. Par contre, un individu qui possède les deux allèles
H et h synthétise le marqueur H. L’allèle H est appelé dominant alors que l’allèle h qui ne s’exprime pas au
niveau du phénotype moléculaire est dit récessif.
- La dernière étape est sous la dépendance d’un autre gène (gène ABO) dont on connaît trois allèles :
- l’allèle A code pour une enzyme fonctionnelle (A),
- l’allèle B code pour une enzyme fonctionnelle (B),
- l’allèle O code pour une enzyme non fonctionnelle. .
27
28
Comment est fabriqué le marqueur B ? Le marqueur A ? (marqueurs, enzymes impliquées, molécules
ajoutées…).
Pour fabriquer le marqueur B, le précurseur est transformé en marqueur H grâce à l’action de l’enzyme H
(ajout d’un fucose, voir doc 1) puis le marqueur H est transformé en marqueur B grâce à l’action de
l’enzyme B (ajout d’un galactose).
Pour fabriquer le marqueur A, le précurseur est transformé en marqueur H également toujours grâce à la
même enzyme H. Puis, le marqueur H est transformé en marqueur A par l’enzyme A)
.
Remarque : les transformations se font dans le cytoplasme puis les marqueurs A et/ou B vont se placer
dans la membrane cytoplasmique.
Proposez deux explications possibles à un phénotype « groupe sanguin O » en vous appuyant sur
l’ensemble des documents.
On sait que la fabrication des marqueurs du groupe sanguin (A, B ou absent dans le phénotype O) fait
appel à au moins deux étapes de transformations catalysées par des enzymes. Ainsi, pour chaque enzyme
nécessaire, il y a un gène qui permet la synthèse de l’enzyme.
Il y a deux solutions possibles pour avoir un phénotype O :
Premier génotype possible : H//h (ou H//H) et O//O
Gène H : l’individu possède les allèles H//H ou H//h. Comme H>h, l’enzyme fabriquée est l’enzyme H
fonctionnelle. De ce fait, le précurseur peut être transformé en marqueur H puisque l’enzyme H est
présente pour catalyser cette réaction.
Gène ABO : A et B >O donc pour être de groupe O quand le marqueur H est déjà fabriqué, il faut posséder
l’allèle O en 2 exemplaires car il est récessif. Le génotype ici est donc O//O.
Deuxième génotype possible : h//h et A//A
Gène H : l’individu possède les allèles h//h. De ce fait, il fabrique une enzyme H non fonctionnelle qui ne
peut pas catalyser la transformation du précurseur en marqueur H. Si cette étape ne se fait pas, la
synthèse ne peut se poursuivre et il n’y aura aucun marqueur (A ici) sur la membrane plasmique. De ce
fait, le phénotype est O.
CONCLUSION : DES GENOTYPES DIFFERENTS PEUVENT CONDUIRE AU MEME
PHENOTYPE.
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Influence de l’environnement sur les conséquences
phénotypiques de l’expression génétique
Modifications de la structure de l’hémoglobine
S en fonction du taux d’O2
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3- Influence de l’environnement sur les conséquences phénotypiques de l’expression
génétique, quelques exemples.
Conditions d’apparition du phénotype drépanocytaire chez des individus
hétérozygotes
les individus hétérozygotes possédant les allèles HbA et HbS ont un phénotype « normal
» lorsque le taux d’O2 atmosphérique est « normal ».
En revanche, lors d’une activité physique importante en haute altitude ou d’un voyage
aérien non pressurisé, ces individus peuvent être en danger en raison de l’apparition de
symptômes caractéristiques du phénotype drépanocytaire.
Comme le montre le diapo ci-dessus, seule l’hémoglobine HbS désoxygénée s’agrège
pour constituer des fibres qui déforment les hématies et causent de multiples accidents
circulatoires.
De plus, la vitesse de polymérisation de l’hémoglobine HbS est proportionnelle à la
concentration en désoxyhémoglobine S.
Chez les hétérozygotes, la concentration d’HbS est environ deux fois moins importante
que chez les homozygotes. Ainsi, lorsqu’un hétérozygote est placé dans les conditions
atmosphériques normales, la vitesse de polymérisation de ses molécules d’HbS est trop
faible pour que la polymérisation conduisant à la déformation des hématies se produise
pendant le temps de transit du sang des capillaires aux alvéoles pulmonaires.
Dans des conditions caractérisées par un appauvrissement du taux d’O2, la quantité
d’HbS désoxygénée augmente, entraînant une augmentation de sa vitesse de
polymérisation ce qui peut s’accompagner de la formation d’hématies en forme de
faucille et expliquer l’apparition des symptômes drépanocytaires.
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Influence de l’environnement sur les conséquences
phénotypiques de l’expression génétique
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Effet de l’alimentation sur la phénylcétonurie
La phénylcétonurie est une maladie qui entraîne une arriération mentale des individus atteints.
La phénylalanine est un acide aminé présent dans la plupart des protéines animales et en
particulier dans celle du lait. Normalement, la phénylalanine est transformé en tyrosine sous
l’action d’une enzyme : la phénylalanine hydroxylase .
La tyrosine est à son tour impliquée dans différentes voies métaboliques comme celle des
mélanines.
Chez les individus possédant deux allèles mutés du gène contrôlant la synthèse de la
phénylalanine hydroxylase, la production de molécules d’une enzyme non fonctionnelle entraîne
une accumulation de la phénylalanine. Une voie métabolique parallèle se crée, conduisant à la
formation d’acide phénylpyruvique.
L’acide phénylpyruvique est une molécule toxique pour les cellules cérébrales, ce qui explique
l’arriération mentale chez ces individus. Par ailleurs l’acide phénylpyruvique est éliminé par les
reins et est donc décelable dans les urines, d’où le nom donné à cette maladie.
Actuellement, le dépistage précoce de cette anomalie d’origine génétique permet, grâce à un
traitement uniquement diététique, d’assurer un développement mental quasiment normal aux
individus homozygotes pour l’allèle muté. Ce traitement, d’une durée de 6 à 12 ans, consiste en
un régime appauvri en phénylalanine. Ce traitement limite l’accumulation de phénylalanine sans
empêcher la synthèse des protéines contenant cet acide aminé.
Dans ce deuxième exemple, l’effet de l’allèle muté du gène contrôlant la synthèse de la
phénylalanine hydroxylase est lié à la qualité de l’alimentation. Des individus de même génotype
pourront ou non selon leur alimentation être atteint de phénylcétonurie.
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Influence de l’environnement sur les conséquences
phénotypiques de l’expression génétique
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Exemple 3
Document1 : Il décrit un phénotype macroscopique et l’influence de la température
dans le cas du lapin himalayen.
Document 2 : Il met en évidence l’importance de la tyrosinase dans la réalisation de
phénotypes alternatifs.
Document 3 : Il montre la modulation de l’activité d’une tyrosinase par un facteur de
l’environnement.
Document 4 : Il relie génotype et phénotype.
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Conclusion (1)
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Conclusion (2)
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