Approfondissement des connaissances en biologie moléculaire

Approfondissement des
connaissances en biologie
moléculaire
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Master IADE – Année 2012-2013
Plan du cours
• Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire
– 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
• Notions sur la biologie du développement: l’exemple du système
hématopoïétique
• Notions sur les mécanismes de mort cellulaire: l’exemple des
lymphocytes T
• Notions sur la biologie du vieillissement : télomères, radicaux libres,
l’exemple des réponses immunitaires chez les personnes âgées
Rappels de biologie moléculaire
et de biologie cellulaire
Master IADE – Année 2012-2013
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
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