Approfondissement des connaissances en biologie moléculaire [email protected] Master IADE – Année 2013-2014 Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – – – – Atomes et molécules Les molécules du vivant Le support de l’information génétique et son décodage L’organisation de la cellule animale • Les outils et les approches expérimentales utilisées par les chercheurs • Les mécanismes qui permettent aux cellules de communiquer entre elles – Les récepteurs membranaires : les exemples du récepteur ß2adrénergique et du récepteur de la leptine – Les récepteurs nucléaires: l’exemple du récepteur des glucocorticoïdes – Les canaux ioniques Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire Master IADE – Année 2012-2013 Atomes et particules élémentaires • Un atome est constitué d'un noyau qui est lui même constitué de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres • Autour du noyau se distribuent des électrons qui sont des particules très peu massive chargées négativement • Le nombre atomique indique le nombre de protons à l'intérieur du noyau de l'atome. Il détermine la nature de l'élément et la place de celui-ci dans la classification périodique • En général un atome est électriquement neutre, donc le nombre d'électrons que l'on trouve autour du noyau est aussi égale au nombre atomique • Les atomes qui portent une charge sont appelés des ions. Ils ont alors un nombre d'électrons plus grand (charge négative) ou plus petit (charge positive) que le nombre atomique Classification périodique des éléments Les atomes présents dans les molécules du vivant • • • • • • • • Hydrogène: H Oxygène: 0 Carbone : C Azote: N Phosphore : P Sodium: Na Magnésium : Mg Potassium: K • • • • • • • • • Chlore : Cl Souffre : S Calcium : Ca Fluor: F Fer: Fe Nickel: Ni Zinc : Zn Manganèse : Mn Bromure: Br Molécules • Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés caractéristiques de la substance considérée • Dans une molécule, les atomes sont liés par « liaisons covalentes » et elles conservent leur individualité physique • La composition chimique d'une molécule est donnée par sa formule chimique. Par exemple, la molécule de méthane CH4 est constituée d'un atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H) ; la molécule de dioxygène O2 est constituée de deux atomes d'oxygène (O) • Les molécules peuvent se trouver à l’état gazeux, liquide ou solide • A l’état liquide ou solide, des forces faibles telles les « liaisons hydrogène » et les « forces de van der Waals » maintiennent les molécules à proximité les unes des autres • Au cours d’une réaction chimique, l'assemblage des atomes qui constituent une molécule peut subir des modifications. Une molécule peut donc se transformer en une ou plusieurs autres molécules. Les molécules biologiques • Petites molécules (briques élémentaires) – Acides gras, Lipides – Monosaccharides, Oligosaccharides, Nucléotides – Acides aminés • Macromolécules (polymères de briques élémentaires) – Polysaccharides – Acides nucléiques – Protéines Les acides gras et les lipides • Lipides: Définis chimiquement comme des esters d’acide gras et d’un alcool (R’-OH), avec une chaîne R’ variable selon les alcools (glycérol, alcool à longue chaîne, stérol,...) • Acides gras: Définis chimiquement par la formule R-COOH, dans laquelle R est une chaîne carbonée (nombre de C supérieur ou égal à 4) généralement non ramifiée, saturée ou insaturée Nomenclature des acides gras • Nom d’usage: acide palmitique, acide oléique, acide arachidonique,... • Nomenclature pour les acides gras saturés – – – – – Le nom systématique s’écrit: n-(nC) an oique n indique que l’acide gras est “normal” ou “non branché” nC indique le nombre de Carbone an: indique que la chaîne est saturée Exemple: acide palmitique • C16H32O2 • Acide n-Hexadecanoique Complément de cours • Nomenclature pour les acides gras insaturés – – – – – conf-p-[nC] x énoique conf-p : configuration et position des doubles liaisons [nC] : nombre de carbones x : nombre de doubles liaisons (di, tri…) Exemple : • Acide linoléique: C18- δC cis 9-12 • cis-9-12 octadecadiénoique Complément de cours • Nomenclature alternative utilisée en diététique pour les acides gras insaturés – Série ω en fonction de la localisation de la première double liaison à partir de l’extrémité CH3 ω3, ω6, ω7, ω9… – Exemple : 18:2 ω 6,9 pour l’acide linoléique Complément de cours Les propriétés des lipides et de leurs dérivés • Pas ou peu solubles dans l’eau • Solubles dans les solvants organiques non polaires: méthanol, chloroforme, cyclohexane, éther éthylique, acétone • Très peu polaires (lipides neutres) ou amphipathiques: tête polaire liée à une chaîne fortement apolaire • Répartis en trois grandes classes – Les lipides vrais qui résultent de la condensation d’acides gras avec des alcools par une liaison ester : glycérolipides (dérivés du glycérol), cérides (dérivés d’alcools à longues chaîne), stérides (dérivés du stérol) – Les lipides complexes qui dérivent des lipides vrais mais qui contiennent également de l’azote, du soufre, ou des sucres (oses) – Les composés à caractère lipidiques: composés terpéniques,... Exemples de lipides • Esters du glycérol Glycérol Glycérophospholipides Diacylglycérol Aldosterone Prostaglandine Phosphatidylinositol 4-5 biphosphate Vitamine A Cortisol Le rôle des lipides et de leurs dérivés • Réserves intracellulaires d’énergie – Triglycérides • Composants des membranes biologiques – Phosphatidylcholine, Phosphatidylserine, Phosphatidyéthanolamine.... • Molécules de signalisation – Hormones stéroïdes: Cortisol, Aldostérone, Estradiol, Progestérone, Testostérone.... – Médiateurs extracellulaires : Prostaglandines – Messagers intracellulaires: Diglycérides issus de la dégradation du phosphatidyl-inositol • Vitamines, molécules anti-oxydantes – Vitamine A Monosaccharides, oligosaccharides et nucléotides • Monosaccharides: Définis chimiquement par la formule Cx(H20)y dans laquelle x est > ou égal à 3 – Exemple : glucose C6(H20)6 • Oligosaccharides: Oligomères formés d’un nombre n de monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques – Exemple: maltose, sucrose, lactose • Nucléotides : Définis chimiquement comme des molécules organiques composées d'une base azotée, d'un pentose et de 1 à 3 groupements phosphates – Base azotée: adénine, guanine, thymine, uracile, cytosine – Pentose: déoxyribose, ribose Exemples de monosaccharides glucose Définis chimiquement par la formule Cx(H20)y dans laquelle x est > ou égal à 3 Exemples d’oligosaccharides maltose sucrose lactose Formés d’un nombre n de monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques Exemple de polysaccharide: le glycogène Glycogène • Glucide complexe polymère du glucose • Consiste en une chaîne de glucoses liés en α (1-4) qui est branchée en α (1-6) tous les 8 à 12 résidus • Utilisé par les animaux pour stocker de l'énergie • Permet de libérer rapidement du glucose principalement dans le foie et dans les cellules musculaires (au même titre que l'amidon chez les végétaux). Les rôles des mono-, oligo- et polysaccharides • Métabolisme énergétique – Directement métabolisable: glucose – Stockage: glycogène • Constituant des glycolipides • Constituant des protéines glycosylées (modification post-traductionnelles des protéines) Les nucléotides • Nucléotides : Définis chimiquement comme des molécules organiques composées d'un pentose, d'une base azotée, et de 1 à 3 groupements phosphates – Pentose : désoxyribose, ribose – Base azotée : adénine, guanine, thymine, uracile, cytosine Bases azotées Riboadenosine Désoxyriboadenosine monophosphate (AMP) Monophosphate (dAMP) Le rôle des nucléotides • Composants des acides nucléiques – Acide Désoxyribonucléique (ADN) – Acide Ribonucléique (ARN) • Fournisseurs d’énergie – Adénosine Tri Phosphate (ATP) fournit par hydrolyse l'énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme • Molécules de signalisation – Médiateurs extracellulaires : ATP, ADP, adénosine, UTP, UDP et UDP-glucose – Médiateurs intracellulaires: AMPc • Donneurs de phosphate – ATP et GTP agissent comme des coenzyme de transfert de groupement phosphate Synthèse de l’AMP cyclique (AMPc) à partir de l’ATP ATP AMP L’ATP comme source d’énergie – Du fait de la présence de liaisons riches en énergie (celles liant les groupements phosphate sont des liaisons anhydride phosphorique), l’ATP est utilisé pour fournir de l'énergie aux réactions chimiques qui en consomment. La réaction d'hydrolyse de l’ATP en AMP et phosphate inorganique 2HPO42- est une réaction exergonique dont la variation d'enthalpie libre standard vaut -30, 5 kJ⋅mol-1 – ATP + 2 H2O → ADP + Pi + H3O+ : ΔG°' = -30, 5 kJ.mol-1 Acide désoxyribonucléique (ADN) • Constitué d'un enchaînement de désoxyribonucléotides : désoxyriboadénosine (A), désoxyriboguanosine (G), désoxyribocytidine (C), et thymidine (T) • Présent sous forme d’une molécule « double brin » dans les cellules eucaryotes • Support de l’information génétique Acide ribonucléique (ARN) • Constitué d'un enchaînement de ribonucléotides : riboadénosine (A), riboguanosine (G), ribocytidine (C), et uracile (U) • Généralement présent sous forme de molécule « simple brin » (ARN messagers), mais pouvant former des structures « double brins » (ARN de transfert) Les acides aminés (ou aminoacides) • Définis chimiquement par la formule H2N– CHR–COOH, où R représente la chaîne latérale, qui identifie l'acide aminés Les rôles des acides aminés et de leurs dérivés • Neurotransmetteurs – Glycine – Aacide glutamique (ou glutamate) – Acide γ-aminobutyrique (ou GABA) : dérivé de l’acide glutamique) – Sérotonine : dérivé du tryptophane – Histamine : dérivé de l’histidine – Catécholamine (adrénaline, noradrénaline, dopamine) : dérivés de la tyrosine • Constituants des polypeptides qui sont des polymères d’acides aminés reliés entre eux par des “liaisons peptidiques” Adrénaline Acide glutamique Histamine GABA Sérotonine • Les polypeptides sont constituées d’un enchaînement d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques 1 2 1 • La séquence des acides aminés définit la structure primaire de la protéine • La chaîne polypeptidique se replie dans l’espace pour adopter une structure secondaire constituée de feuillets ß et d’hélices α • Les feuillets ß et les hélices α interagissent pour former des structures tertiaires • Plusieurs chaînes polypeptidiques identiques ou différentes peuvent s’associer pour former des protéines multimériques • Certaines protéines subissent des modifications post-traductionnelles 1 Modifications post-traductionnelles • Addition d’un groupe fonctionnel : acétylation, alkylation, méthylation, biotinylation, glutamylation, glycylation, glycosylation, isoprénylation, phosphorylation, sulfatation,... • Addition de groupes peptidiques ou de protéines: ubiquitination, sumoylation, neddylation, urmylation • Changement la nature chimique des acides aminés: citrullination, (conversion d'arginine en citrulline), déamidation, (conversion de glutamine en acide glutamique ou de l'asparagine en acide aspartique) • Changements structuraux: création de ponts di-sulfures (liaison chimique des groupements SH de deux cystéines), clivage d’une liaison peptidique par une protéase Le support de l’information génétique et son décodage Le principe • Le code génétique établit une correspondance entre un triplet de nucléotides, appelé codon, et un acide aminé qui est incorporé dans la protéine. Il se résume à un tableau associant chacun des 64 codons possibles avec un des 20 acides aminés présents dans les protéines • La transmission de l’information de l’ADN à la protéine s’effectue par l’intermédiaire d’un ARN messager La transcription et la traduction • Transcription – Processus permettant la synthèse d’un ARN messager à partir de l'ADN – S’effectue dans le noyau cellulaire • Traduction – Processus permettant la synthèse de protéine à partir d’une ARN messager – S’effectue dans le noyau cellulaire – Fait intervenir des ribosomes qui assemblent les protéines en réalisant la lecture séquentielle des codons sur l'ARN messager – Fait intervenir des ARN de transfert qui jouent le rôle d’adaptateurs en interagissant (1) avec le codon auquel ils s'apparient via un triplet de nucléotides complémentaires, l'anticodon, et (2) l'acide aminé correspondant attaché par une liaison ester à leur extrémité 3'-hydroxyle. Le code génétique Le rôle des ARN de transfert comme adaptateur entre acides aminés et ARN messager • ARN: molécule polaire • Acides aminés : polaires ou hydrophobes Site de fixation à l’acide aminé Site de fixation à l’ARNm Le gène et son organisation L’épissage des ARN messagers L’épissage des ARN messagers spliceosome snRNP s La traduction des ARN messagers 1 5 2 4 3