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4.4 – Synthèse des protéines SBI 4U Dominic Décoeur Introduction Crick a relevé le défi de déchiffrer le code génétique. Il savait que les protéines sont faites de 20 acides aminés différents, mais que l’ADN contient seulement 4 nucléotides différents. Il a donc formulé l’hypothèse selon laquelle le code doit être composé de « mots » ou codons, d’un minimum de trois nucléotides chacun. Exemple : supposons qu'on veuille écrire des mots en formant des colliers avec des perles de quatre couleurs différentes. On pourrait attribuer une lettre à chaque couleur: Problème : on ne peut pas désigner plus de 4 lettres sur 26. Regroupons les billes deux à deux : Problème : on ne peut désigner que 16 lettres (42) Regroupons les billes trois à trois : Combien y a-t-il de combinaisons possibles ? 64 (43) On pourrait donc écrire ce qu'on veut avec 4 billes différentes si on les regroupe 3 à 3. On pourrait utiliser ce code de 3 billes pour représenter des acides aminés (il y en a 20 différents) plutôt que des lettres. On peut miniaturiser le code en remplaçant les billes par quelque chose de beaucoup plus petit : des nucléotides. On obtient alors un message de dimension moléculaire. Dans la cellule, sur un des deux brins de l’ADN, chaque groupe de trois nucléotides désigne un acide aminé: Ce brin d'ADN correspond à la "recette" de la protéine Phé-Arg-Leu-Phé-Leu Le message, la "recette" peut être porté par l'un des deux brins (le brin du bas dans ce cas). Le code génétique (déchiffré entre 1960 et 1964) AAA AAG AAT AAC GAA GAG GAT GAC TAA TAT TAG TAC CAA CAT CAG CAC Phénylalanine Phénylalanine Leucine Leucine Leucine Leucine Leucine Leucine Isoleucine Isoleucine Isoleucine Méthionine Valine Valine Valine Valine AGA AGG AGT AGC GCA GCG GCT GCC TGA TGG TGT TGC CGA CGG CGT CGC Sérine Sérine Sérine Sérine Proline Proline Proline Proline Thréonine Thréonine Thréonine Thréonine Alanine Alanine Alanine Alanine ATA ATG ATT ATC GTA GTG GTT GTC TTA TTG TTT TTC CTA CTG CTT CTC Tyrosine Tyrosine STOP STOP Histidine Histidine Glutamine Glutamine Asparagine Asparagine Lysine Lysine Asparagine Asparagine Ac. glutamique Ac. glutamique ACA ACG ACT ACC GCA GCG GCT GCC TCA TCG TCT TCC CCA CCG CCT CCC Cystéine Cystéine STOP Tryptophane Arginine Arginine Arginine Arginine Sérine Sérine Arginine Arginine Glycine Glycine Glycine Glycine N.B. 64 combinaisons pour 20 acides aminés. Code redondant (il est dit dégénéré) : plusieurs triplets différents peuvent coder pour le même acide aminé. Trois triplets signifient la fin de la recette : triplets STOP Chaque protéine est caractérisée par sa séquence d'acides aminés. Ex. le lysozyme (130 AA) LYS ARG ASN THR ASP ASN LEU ALA GLY ASN VAL LEU TRP ARG TYR ASP SER VAL ILE ARG PHE GLY MET ALA GLY GLY CYS ALA ARG ASP GLU MET CYS THR ILE LYS SER CYS ALA VAL ARG ASP LEU ASN PHE THR ALA ALA TRP ARG CYS GLY ALA TYR GLN PRO LEU LYS VAL GLN GLU TYR LYS ASN ILE GLY LEU ARG ALA TYR LEU ARG TRP ALA ASN ALA GLN VAL TRP VAL ALA GLY GLU GLY SER VAL ASP VAL ARG GLN ARG ILE SER ASP ARG ASN ASN ARG ASN GLY THR SER GLY ARG TYR ALA ILE ASP ARG CYS LEU LEU TYR SER TRP CYS ALA PRO CYS GLY LYS ALA ASN THR CYS HIS ASP GLN GLN VAL Séquence du lysozyme humain Le lysozyme de poulet a une séquence un peu différente et il comporte un acide aminé de moins (129 acides aminés) Voir la différence dans la séquence : lysozyme (Notebook) • On connaît actuellement ~ 15 000 protéines différentes. • On en découvre une centaine de nouvelles par mois. • Nombre total de protéines que peut fabriquer l'organisme humain = ??? (quelque chose entre 30 000 et 150 000). Course contre la cellule Êtes-vous aussi rapide que la cellule? Tester vos habiletés à fabriquer une protéine aussi rapidement que la cellule le fait. http://www.nature.ca/genome/04/04 1/041_f.cfm Animation La synthèse des protéines : SBI 4U / Unité 3 / Powerpoint / Génome Synthèse des protéines Information : dans le noyau (sous forme d'ADN) Synthèse des protéines : dans le cytoplasme (au niveau des ribosomes du reticulum endoplasmique) L'ADN ne sort pas du noyau. L'information passe au cytoplasme sous forme d'une copie : l'ARN. ARN = Acide RiboNucléique Transcription Siège de la transcription : le noyau Elle consiste à recopier ou à taper un texte à partir de notes prises. La transcription est le transfert d’information d’une séquence de bases contenue dans un gène d’ADN à une séquence complémentaire formée sur une molécule d’ARNm. Seuls l’ADN et l’ARNm interviennent dans le mécanisme de transcription. Transcription La transcription doit se faire : Sur le bon sens (1 brin codant); Dans la bonne direction (5` - 3`); À partir du bon nucléotide grâce aux boîtes « TATA » appelées « séquence promoteur ». Habituellement, la séquence est TATAAT ou TATAAATA. Ainsi, la synthèse peut commencer. ARN polymérase se fixe à l’ADN au niveau d’une courte séquence d'ADN placée juste avant le début du gène = promoteur Le promoteur indique : • Le début du gène à transcrire en ARNm (où l’ARN polymérase doit se fixer sur l’ADN) • Quel brin d’ADN doit être transcrit Transcription Les étapes de la transcription : 1) L’ARN polymérase reconnaît le site promoteur, se fixe à l’ADN et ouvre une partie de la double hélice d’ADN. 2) L’ARN polymérase se déplace (5` - 3`) le long de l’ADN et attache ensemble les nucléotides d’ARN pour former l’ARNm 3) Dès que l’ARN polymérase est passé, l’ADN s’enroule de nouveau détachant le brin d’ARNm. 4) La transcription se termine lorsque l’ARN polymérase rencontre le site « terminateur ». Première étape de la synthèse d'une protéine = copie du gène (ADN) en une molécule d'ARN = transcription Ribonucléotides libres 3’ 5’ 5’ 3’ Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager) 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme Transcription Dès qu’un site promoteur est libre, un autre ARN polymérase peut venir s’y placer. L’ARNm peut subir plusieurs transformations avant de sortir du noyau. Par exemple, on enlève certains introns ce qui permet à un gène de coder pour plusieurs protéines. Également, on ajoute une coiffe (extrémité 5`) et une queue poly-A (extrémité 3`) L’extrémité 5` est coiffée d’une forme modifiée de nucléotide G. L’extrémité 3`, une enzyme dans le noyau ajoute une longue suite de nucléotides A. Transcription La coiffe et la queue poly-A aident à protéger la molécule d’ARNm terminée des enzymes du cytoplasme conçus pour décomposer les fragments d’acide nucléique en leurs composants nucléotidiques. Ils servent aussi de signaux qui aident à lier les molécules qui synthétisent les protéines. Il semble aussi que la queue poly-A aide à transporter la molécule d’ARNm terminée du noyau au cytoplasme. Structures des gènes Chez les procaryotes : presque tout l'ADN code pour des protéines. Chez les eucaryotes : seulement 3% de l'ADN code pour des protéines ou des ARN r ou t. Le 97% restant = "junk" DNA (ou "garbage" DNA) Il serait plus prudent de parler plutôt d'ADN non codant ADN non codant situé : Entre les gènes codant à l'intérieur même des gènes = introns Introns et exons Introns = séquence non codantes situées à l'intérieur des gènes Exons = parties codantes 90% de certains gènes = introns Ex : gène du collagène (la protéine la plus abondante dans notre corps) contient 50 introns! Taille des introns varie de 31 à 210 000 bases Lors de la transcription, tout le gène (introns + exons) est copié en ARNm. L'ARNm doit ensuite être modifié pour, entre autres, en enlever les introns = épissage de l'ARN. Le transcript du précurseur de l’ARNm inclut trois exons et deux introns. Les extrémités de la molécule de l’ARNm sont modifiées. Un nucléotide G modifié est ajouté à l’extrémité 5`. Une suite de nucléotides A (d’une dizaine à plusieurs centaines) est ajoutée à l’extrémité 3`. Les introns sont supprimés et les exons sont épissés les uns aux autres. La molécule d’ARNm terminée est prête pour la traduction. La molécules qui accomplit cet épissage s’appelle un splicesome. Il coupe le précurseur de l’ARNm aux extrémités de chaque intron, puis épisse les exons restants. Un épissage laisse toujours les exons intacts. Animation La transcription de l'ADN en ARN messager http://www.biologieenflash.net/som maire.html Devoirs p. 256 (5, 6) p. 262 (2, 3) Traduction Siège de la traduction : le cytoplasme Ex : Traduire la photocopie de l’allemand au français (dans le cytoplasme sur le ribosome) ou comme une note de musique à partir des sons. Les ARNm vont se placer sur les ribosomes dans le cytoplasme. L’anticodon de l’ARNt va se coupler à son codon correspondant sur l’ARNm amenant ainsi l’aa désiré. Traduction L’E dégagée, lors du bris de la liaison entre l’ARNt et aa, sert à former la liaison peptidique entre les aa. Le ribosome s’assure du bon positionnement entre l’ARNm et l’ARNt pour une lecture exacte des codons. Il glisse sur l’ARNm pour assurer la traduction de tous les codons. Les ARNr assurent la fixation de l’ARNm et l’ARNt ainsi que l’initiation et la terminaison de la traduction. Deux zones importantes sur l'ARNt : Extrémité 3' (se termine par CCA) : peut se lier à un acide aminé Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm Chaque ARNt est caractérisé par son anticodon. Un ARNt ne transporte pas n'importe quel acide aminé: ça dépend de l'anticodon Ex. ARNt AAA transporte toujours l'acide aminé PHE ARNt GAU transporte toujours l'acide aminé LEU Traduction La traduction se fait en trois étapes : Initiation Élongation Terminaison Initiation Les protéines sont spécifiques. Il faut donc un début et une fin précise à la traduction. On doit avoir un codon initiateur sur l’ARNm (AUG), son ARNt correspondant (UAC) et une petite sous-unité ribosomale qui reconnaît le codon initiateur. Sinon, tous les codons AUG pourraient être des initiateurs. Une fois ces 3 composantes réunies, la grande sous-unité ribosomale vient se fixer pour former l’unité fonctionnelle du ribosome. Élongation Dans l’unité fonctionnelle du ribosome, il y a 2 sites de fixation pour l’ARNt : le site P et le site A. À l’aide d’une enzyme dans la grande sous-unité ribosomale : les aa sont liés; l’ARNt qui était dans le site P est déplacé dans le site E et libéré; le ribosome se déplace pour permettre l’arrivée d’un autre ARNt et ainsi de suite… Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait, il s’attache d’abord à la petite unité. C’est à ce moment que la grosse unité vient se fixer. Donc, les deux unités ne s’assemblent que lorsque l’ARNm se fixe à la petite unité. Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur l’ARNr au niveau du ribosome (un sur la zone appelée site P et l’autre sur la zone appelée site A). Liaison codonanticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome). L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG Chaque ARNt se fixe par son anticodon sur trois nucléotides de l’ARNm. Ces trois nucléotides de l’ARNm constituent ce qu’on appelle un codon. Après leur fixation, les acides aminés qu’ils transportent sont reliés entre eux (le catalyseur est constitué d’une partie de l’ARN du ribosome et non d’une enzyme protéique). Le ribosome avance de trois unités Le premier ARNt est retiré. Un autre ARNt se met en place Polypeptide ARNm Ribosome Vitesse de la synthèse: • Chez E. coli ~ 5 AA / s • Chez eucaryotes ~ 16 AA / s Terminaison Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet de bases) UAA, UAG ou UGA = codons STOP. Il n’y a pas d’ARNt correspondant à ces codons. Lorsque le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme (facteur de terminaison) s'y fixe et détache l'ARNm du ribosome. ==> le ribosome se sépare en deux Les deux unités se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la petite unité. En résumé… En résumé… Chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un codon de l'ARNm. Chaque codon de l'ARNm correspond à un anti-codon spécifique de l'ARNt. Chaque anti-codon correspond à un acide aminé spécifique. Donc : chaque triplet de nucléotides sur l'ADN correspond à un acide aminé. En résumé… Pour synthétiser la protéine, il faut : • ARNm = information (la recette) • Ribosome = machine à assembler les acides aminés • Acides aminés = pièces de construction • ARNt (ARN de transfert) = molécules qui transportent les acides aminés du cytoplasme au ribosome où ils sont assemblés en protéine. Gizmo Voir : RNA and Protein Synthesis Animation La traduction de l'ARN messager en protéines http://www.biologieenflash.net/sommaire. html http://www.geniebio.ac-aixmarseille.fr/biomol/biomol.html http://svtoiselet.free.fr/spip.php?rubrique 50 Animation La transcription http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/AD N_Prot/ADN_ARN/ADN_ARN2.html La traduction http://highered.mcgrawhill.com/olc/dl/120077/micro06.swf Devoirs p. 271 (2, 3, 4)
