Génétique dans la cellule, où se trouve la substance responsable
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Génétique dans la cellule, où se trouve la substance responsable de l’hérédité? acetabularia sp. 1 Pr. R. Raynal 2 Questions Si l'information était contenue dans le cytoplasme de l'ovule, de quelle couleur serait le souriceau ? Si l'information était contenue dans le cytoplasme du spermatozoïde, de quelle couleur serait le souriceau ? Pourquoi a-t-on pris une souris porteuse blanche et non pas noire ou grise ? Que se serait-il passé si la souris donneuse du noyau avait été noire et celle donneuse de l'œuf, grise ? Que peut-on déduire de cette expérience ? quelle est la substance responsable de l’hérédité? 3 génétique moléculaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. hérédité des acides nucléiques aux chromosomes réplication de l’ADN transcription traduction des protéines génie génétique 4 Que signifie ADN ? • Acide désoxyribonucléique Que signifie ARN ? • Acide ribonucléique Où se situent l’ADN et l’ARN dans la cellule ? • ADN – Dans une cellule eucaryote: • Noyau (surtout) • Mitochondries (peu) • Chloroplastes (peu) – Dans une cellule procaryote (procaryotes = bactéries) • Libre dans le cytoplasme (normalement: 1 grande molécule circulaire (chromosome) et de multiples petits anneaux d’ADN (les plasmides). • ARN – Fabriqué là où il y a de l’ADN (surtout noyau) – Transporté là où il y a des ribosomes (surtout cytoplasme) 5 Qu’est‐ce qu’un nucléotide? l’ADN : une chaîne de nucléotides Dans l’ADN, un nucléotide est formé : 1. d’une base azotée (Adénine, Thymine, Guanine, Cytosine) 2. d’un sucre (le désoxyribose, C5) 3. d’un groupement phosphate (attaché en 5’) A oublier: chaque nucléotide a son propre nom. Par exemple, le nucléotide portant l’adénine se nomme le désoxyadénosine‐phosphate ou acide adénylique M.Harry, Génétique moléculaire et évolutive, Maloine, 2008 6 Sponk (talk) / wikicommons Résultats des études de Chargaff sur la composition en nucléotides de l’ADN de différents organismes vivants. Origine de l’ADN étudié groupe adénine guanine cytosine thymine Homme mammifère 31.0 19.1 18.4 31.5 Vache mammifère 28.7 22.2 22.0 27.2 Saumon poisson 29.7 20.8 20.4 29.1 Oursin échinoderme 32.8 17.7 17.4 32.1 Blé plante 27.3 22.7 22.7 27.1 Levure champignon 31.3 18.7 17.1 32.9 Mycobacterium tuberculosis bactérie 15.1 34.9 35.4 14.6 Bactériophage T2 virus 32.6 18.2 16.6 32.6 Virus de la polio virus 30.4 25.4 19.5 0 données tirées de Biology, A. Allott and D. Mindorff, 2010 7 l’ADN : une chaîne de nucléotides • on utilise la première lettre de chacune des bases pour désigner les nucléotides composant l’ADN (par simplification, le terme de base est souvent utilisé pour désigner le nucléotide lui‐même). Adénine Thymine Guanine Cytosine M.Harry, Génétique moléculaire et évolutive, Maloine, 2008 l’ADN : une chaîne de nucléotides • l’établissement d’une séquence d’ADN correspond à la lecture base après base, de façon séquentielle, d’un morceau d’ADN. ACGGGTAACCTAGCTAGCTTAACG M.Harry, Génétique moléculaire et évolutive, Maloine, 2008 8 l’ADN : une chaîne de nucléotides • la longueur d’une séquence est exprimée en nombre de bases : ACAGGGTAACCTAGCTAGCTTAAC 1 5 10 15 20 Cette séquence à une longueur de 24 bases. M.Harry, Génétique moléculaire et évolutive, Maloine, 2008 Quelle est la forme de l’ADN ? 9 L’ADN possède une structure en double hélice • Bases à l’intérieur de l’hélice • Squelette sucre‐phosphate à l’extérieur de l’hélice • Les groupements phosphates sont chargés négativement L’ADN possède une structure en double hélice • In vivo: double brin (on parle d’ADN bicaténaire) 10 L’ADN possède une structure en double hélice • La force qui maintient les deux brins assemblés: => liaisons hydrogènes (non covalentes) • Les bases sont complémentaires 2 à 2: C = G (trois liaisons hydrogènes) A = T (deux liaisons hydrogènes) L’ADN possède une structure en double hélice • Chaque brin a une orientation: => 5’‐3’ (sens de synthèse de l’ADN) • Les 2 brins d’une hélice sont orientés dans des sens opposés. 11 et l’ARN? 12 ADN ARN Sponk (talk) / wikicommons Quelles sont les différences entre l’ADN et l’ ARN ? • • • • Désoxyribose vs ribose Thymine vs Uracile 2 brins vs 1 brin Position dans la cellule: noyau vs noyau et cytoplasme (+ mitochondries) (+ chloroplastes) (+ mitochondries) (+ chloroplastes) 13 Quelle est la fonction de l’ADN ? • l’ADN est support sur lequel l’information héréditaire est enregistré => • l’ADN contient les recettes (gènes) qui permettent de construire la cellule Qu'est‐ce qu’un gène ? 14 Le gène: un segment d’ADN qui code une protéine TGA GAG CTG -ACT CTC GAC -- 5’ ADN Protéine Un filament d’ADN contient de nombreux gènes TGA GAG CTG -ACT CTC GAC -(transcription) r Ch --UGA GAGACUG-Gène om o os (translation) e m -- glutamate -- 11 Gène B Gène C 15 Le gène • le gène d’une protéine X est la portion d’ADN qui code pour cette protéine. Chaque gène est composé d’une séquence spécifique de nucléotides. Le génome • L’ensemble des gènes d’une cellule constitue son génome. Chromatine (n. fém.) Masse de matériel génétique composée d'ADN et de protéines que l'on observe dans le noyau des cellules eucaryotes. Elle s’observe entre les périodes de division et existe sous forme de fibres minces et très longues constituant un amas diffus. 16 Chromosome (n. masc. ) Structure qui résulte de la condensation et de l’épaississement des fibres de chromatine et dont la forme définie est visible au microscope. Les chromosomes sont composés d'une longue molécule d'ADN et de protéines. Chromatides soeurs (n. fém.) Formes répliquées d'un chromosome qui sont unies par le centromère avant de se séparer pendant la mitose ou la méiose. 17 comment passe‐t‐on d’un filament à un chromosome ? Le chromosome se forme par enroulements successifs de l’ADN 18 Les différentes formes de l’ADN • La double hélice d’ADN peut s’enrouler autour de protéines (les histones) et former des nucléosomes Complexe d’histones chromosome cellule ADN Un nucléosome Les différentes formes de l’ADN • Une suite de nucléosomes forme une structure qui rappelle un collier de perles: un nucléofilament chromosome cellule 19 Les différentes formes de l’ADN Attention: le chromosome tel qu’on l’observe au moment de la métaphase est formé de deux filaments! chromosome cellule Chaque filament étant l’exacte copie de l’autre. Représentez par un schéma le dogme de la génétique moléculaire 20 • le transfert de l’information est séquentiel • les «alphabets» sont spécifiques ADN ARN réplication protéine transcription translation génétique moléculaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. hérédité des acides nucléiques aux chromosomes réplication de l’ADN transcription traduction des protéines génie génétique 21 réplication de l’ADN ADN ARN réplication protéine transcription translation 22 expérience de Meselson et Stahl ADN N14 ADN N15 l’expérience indique que l’ADN double brin se réplique en utilisant chacun des brins de l’ADN parental comme une matrice pour générer un nouveau brin complémentaire: on parle de réplication semi-conservative car chacune des deux nouvelles molécules d’ADN est formée d’un brin de l’ADN parental et d’un nouveau brin 23 comment se déroule la réplication ? La réplication est un processus complexe qui fait intervenir une série de protéines (surtout des enzymes) qui contribuent à des étapes spécifiques. On peut diviser le processus de réplication en trois étapes: 1. initiation 2. synthèse 3. terminaison 1: initiation • reconnaissance par un complexe de protéines d’un point de départ (origine de la réplication) le long de la molécule d’ADN d’où débuter la réplication. – chez les eucaryotes, il y a souvent plus d’une origine de réplication par chromosome. • le complexe de protéines s’attache à l’ADN et l’hélicase l’ouvre (sépare les deux brins). D’autres protéines empêchent que la double hélice ne se reforme. 24 1: initiation • le complexe de protéines s’attache à l’ADN et l’hélicase l’ouvre (sépare les deux brins). D’autres protéines empêchent que la double hélice ne se reforme. 1: initiation • le complexe de protéines s’attache à l’ADN et l’hélicase l’ouvre (sépare les deux brins). D’autres protéines empêchent que la double hélice ne se reforme. modifié d’après LadyofHats / wikicommons 25 2: synthèse • une ADN polymérase s’attache à chaque brin et génère une copie du brin complémentaire • des ligases couplent les morceaux de nouveaux brins qui sont discontinus. 2: synthèse • la réplication se déroule dans les deux sens • la fourche de réplication désigne la structure en Y formée par l’ADN parental et les deux molécules d’ADN en formation. modifié d’après LadyofHats / wikicommons 26 fourches de réplication ADN 27 modifié d’après LadyofHats / wikicommons 3: termination • si l’on sait que la termination recourt à des mécanismes spécifiques, mais ils ne sont encore que mal connus... 28 réplication • où ? – là où il y a de l’ADN et les enzymes nécessaires: noyau des cellules eucaryotes, mitochondries, chloroplastes • pourquoi ? – multiplication cellulaire (mitose) – génération de gamètes (méiose) génétique moléculaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. hérédité des acides nucléiques aux chromosomes réplication de l’ADN transcription traduction des protéines génie génétique 29 ADN ARN duplication / réplication protéine transcription translation la transcription • la transcription consiste à copier une séquence d’ADN en une séquence d’ARN • un seul brin d’ADN est transcrit • sur l’ADN, une bulle de transcription se forme. L’ADN y est déroulé et écarté sur une courte région. La queue de l’ARN en formation est apparié à un brin d’ADN (appelé brin matrice) dont il est complémentaire 30 la transcription • la bulle se déplace le long d’un tronçon d’ADN appelée unité de transcription une unité de transcription est formée d’une région appelée «promoteur», d’une région codant pour une ou plusieurs protéines et d’une région appelée «terminateur» terminateur promoteur ADN région codant pour des protéines la transcription • La transcription se déroule en trois phases: – initiation : de l’ARN polymérase se lie au promoteur (un site de l’ADN) – élongation : l’ARN polymérase déroule l’ADN localement, sépare les deux brins et se déplace le long de l’unité de transcription. Durant ce processus, l’ARN polymérase synthétise un brin d’ARN complémentaire au brin d’ADN qu’elle parcourt – terminaison : la fabrication d’ARN s’arrête quand l’ARN polymérase atteint le «terminateur» 31 fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9 la transcription Dr. Hans-Heinrich Trepte / wik 32 génétique moléculaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. hérédité des acides nucléiques aux chromosomes réplication de l’ADN transcription traduction des protéines génie génétique ADN ARN duplication protéine transcription translation (traduction) 33 les ARN • trois grandes catégories: – ARN de transfert (ARNt) – ARN ribosomiques (ARNr) – ARN messagers (ARNm) – Il existe quelques autres types d’ARN ARN de transfert • petits ARN qui prennent une forme de trèfle par l’appariement de bases le long du filament replié sur lui‐même. 34 ARN de transfert Yikrazuul / wikicommon fonction: • un site particulier attache un acide aminé spécifique • Un autre site particulier (l’anticodon) reconnait un codon spécifique (une suite de 3 nucléotides de l’ARNm) • l’ARNt permet la traduction d’un code «codons» à un code «acides aminés» anticodon ARN ribosomiques • se lient à des protéines pour former les ribosomes: Un ribosome étant formé de deux sous‐unités avec en tout 4 ARNr et 82 protéines. • fonction: structure qui organise la rencontre des ARNt et des ARNm et permet la formation des protéines modifié d’après LadyofHats / wikicommons 35 ARN messager • l’ARNm transfert l’information de l’ADN du noyau au cytoplasme où il est lu et traduit en protéines par les ribosomes. modifié d’après LadyofHats / wikicommons les protéines • une protéine est une chaîne d’acides aminés enroulée sur elle‐même. • la structure spatiale de la protéine détermine sa fonction 36 Chaque cellule dispose de 20 acides aminés différents pour fabriquer des protéines Abrév. Acide aminé Nature A Ala Alanine Apolaire, aliphatique C Cys Cystéine Polaire D Asp Acide aspartique Acide E Glu Acide glutamique Acide F Phe Phénylalanine Apolaire, aromatique G Gly Glycine Apolaire H His Histidine Basique, aromatique Apolaire, aliphatique I Ile Isoleucine K Lys Lysine Basique L Leu Leucine Apolaire, aliphatique M Met Méthionine Apolaire N Asn Asparagine Polaire O Pyl Pyrrolysine Polaire P Pro Proline Apolaire Q Gln Glutamine Polaire R Arg Arginine Basique S Ser Sérine Polaire T Thr Thréonine Polaire U Sec Sélénocystéine Polaire V Val Valine Apolaire, aliphatique W Trp Tryptophane Apolaire, aromatique Y Tyr Tyrosine Polaire, aromatique http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9 Code LA STRUCTURE DES ACIDES AMINÉS 37 L-Asparagine L-Histidine L-Isoleucine L-Aspartate L-Leucine L-Arginine L-Glutamate L-Cystéine L-Lysine L-Glutamine L-Méthionine L-Phénylalanine L-Pyrrolysine L-Sérine L-Thréonine L-Tryptophane L-Tyrosine L-Proline http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9 L-Alanine L-Sélénocystéine L-Valine Glycine de l’ADN à la protéine: le code génétique • Problème: passer d’un code à 4 nucléotides à un code à 20 acides aminés • un ensemble de 3 nucléotides (codon) correspond à 1 acide aminé • le code génétique est redondant: 1 acide aminé correspond à plus d’un codon – 64 codons pour 20 acides aminés – 1 codon d’initiation (AUG => méthionine) – 3 codons STOP • Le code génétique est (presque) universel. 38 Mouagip / wikicommon la traduction • La traduction se déroule en trois phases: 1. initiation 2. élongation 3. terminaison 39 la traduction • La traduction se déroule en trois phases: 1. initiation : la petite unité d’un ribosome reconnait sur l’ARNm le site de départ (AUG). Elle s’y couple avec un ARNt complémentaire (UAC), se qui permet à la grande unité ribosomique de les rejoindre et de former un ribosome complet, prêt à lire l’ARNm. 2. élongation 3. terminaison la traduction • La traduction se déroule en trois phases: 1. initiation 2. élongation : le ribosome se déplace de trois nucléotides le long de l’ARNm. Un ARNt spécifique à ce codon vient s’y fixer. Le ribosome porte alors 2 ARNt. Il couple à l’acide aminé porté par le nouveau ARNt, l’acide aminé (ou la suite d’acides aminés) porté(s) par le précédent ARNt. le ribosome se déplace alors de trois nucléotides le long de l’ARNm et même processus recommence. 3. terminaison 40 la traduction • La traduction se déroule en trois phases: 1. initiation 2. élongation 3. terminaison : le déplacement du ribosome le long de l’ARNm continue jusqu’à ce qu’un codon «STOP» soit atteint. La protéine nouvellement synthétisée est libérée. Les deux unités du ribosome se séparent et libère l’ARNm Une molécule d’ARNm est souvent parcourue par plus d’un ribosome (=>polysome) polysome (ou polyribosome) nobelprize.org [email protected] 41 Une molécule d’ARNm est souvent parcourue par plus d’un ribosome (=>polysome) http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_amin%C3%A9 la traduction 42 modifié d’après LadyofHats / wikicommons la traduction • où? – là où il y a des ribosomes, de l’ARNt et de l’ARNm => essentiellement dans le cytoplasme • Quand? – les protéines ayant une durée de vie limitée, il faut continuellement les remplacer. 43
