protéine - Ecole Rockefeller
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Notions de biologie moléculaire École Rockefeller 1ère année 2012/2013 M. HERASSE 1 2 Plan du cours I – Protéines et ADN I – 1) Les protéines I – 2) L’ADN et les ARN II – Le flux de l’information génétique ADN -> ARN -> protéine III – Divisions cellulaire III – 1) mitose III – 2) différenciation et mort cellulaire III – 3) méiose 3 I Protéines et ADN 4 I - 1 - Les protéines Macromolécules Dans toutes les cellules de l’organisme A la base de toutes les fonctions biologiques Très grande diversité 5 Protéine = polymère d’acides aminés 6 Structure des acides aminés (AA) 7 Exemple d’acides aminés 8 20 acides aminés Alanine Arginine Asparagine Aspartate Cystéine Glutamate Glutamine Glycine Histidine Isoleucine Leucine Lysine Méthionine Phénylalanine Proline Sérine Thréonine Tryptophane Tyrosine Valine Sélénocystéine Pyrrolysine ALA ARG ASN ASP CYS GLU GLN GLY HIS ILE LEU LYS MET PHE PRO SER THR TRP TYR VAL SEC PYL A R N D C E Q G H I L K M F P S T W Y V U J H C+ P CP CP P,C+ H H C+ H H H P P P P H 9 - Origine des acides aminés Protéines ingérés Protéines endogènes dégradées AA synthétisés par l’organisme Pool d’AA 10 8 acides aminés essentiels Pas fabriqués par notre organisme. Tryptophane Lysine Méthionine Phénylalanine Thréonine Valine Leucine Isoleucine 11 Acides aminés déficients ou limitants 12 Devenir des acides aminés: Pool d’AA Synthèse des protéines Dégradation Synthèse d’autres molécules 13 Exemple clinique : la phénylcétonurie phénylalanine X élimination Toxique pour le système nerveux => retard mental Test de Guthrie => Régime pauvre en phénylalanine 14 Exemple clinique : l’albinisme Tyrosine X Mélanine hypopigmentation de la peau, des poils, des cheveux et des yeux 15 Structure des protéines : 4 niveaux 1 structure primaire 2 structure secondaire 3 structure tertiaire 4 structure quaternaire 16 Structure primaire : la séquence spécifique, donnée par un gène détermine la structure et la fonction 17 Ex : séquence de l'α-lactalbumine humaine : MRFFVPLFLVGILFPAILAKQFTKCELSQLLKDI DGYGGIALPELICTMFHTSGYDTQAIVENNEST EYGLFQISNKLWCKSSQVPQSRNICDISCDKF LDDDITDDIMCAKKILDIKGIDYWLAHKALCTEK LEQWLCEKL 18 Structure secondaire : repliements, motifs 19 Structure tertiaire globulaires ex : la globine béta de l'hémoglobine fibreuses ex : kératine 20 Exemple clinique : Maladie de Creutzfeld Jakob (A) Protéine normale (B) protéine prion PrP anormale 21 Structure quaternaire : association de molécules ex : hémoglobine 4 chaînes = tétramère 22 Composition des protéines holoprotéines : que des acides aminés hétéroprotéines : AA + hème ex: hémoglobine AA + glucides : glycoprotéines ex: glycoprotéine P AA + lipides : lipoprotéines ex: LDL 23 Exemple clinique : glycoprotéine P et multi-résistance aux médicaments multi-drug resistance chimiothérapie, anti-VIH, immunosuppresseurs 24 Exemple clinique : Lipoprotéine et « cholestérol » Grands complexes de protéines + lipides Transport de lipides, hormones, vitamines, etc. 25 Fonction des protéines (1) fonction biologique liée à la forme Régulation (activation ou inactivation) -> liaison avec autre molécule, clivage, etc. Dénaturation = inactivation souvent irréversible -> chaleur, pH extrême, substances chimiques, etc 26 Exemple d’activation par le clivage : L’insuline coupure coupure A+B = insuline active 27 Cas des protéines chaperons Assurent le bon repliement des protéines Ex : Les chaperonines 28 Exemple clinique : Le syndrome de Bardet-Biedl Maladie héréditaire rare obésité précoce, rétinopathie pigmentaire, polydactylie, troubles cognitifs et anomalies urogénitales. Un des gènes responsables est celui d’une chaperonine 29 Fonction des protéines (2) Structure Mouvement Transport Communication Système immunitaire et identification des cellules Catalyse 30 Structure forme de chaque cellule liaison des cellules les unes aux autres résistance aux tensions mouvements intracellulaires => tendons, ligaments, armature interne des cellules, fibres des caillots sanguins, tissus donnant de la résistance aux organes. 31 Exemple : Le collagène protéine la plus abondante de l'organisme. => grosses fibres très résistantes à la traction : apporte souplesse et résistance aux tissus. 32 Exemple clinique : le scorbut carence en vitamine C = mauvaise synthèse du collagène => fragilité des vaisseaux sanguins, des tendons, de la peau, etc => graves hémorragies 33 Mouvement Ex : la myosine contraction des cellules musculaires 34 Exemple clinique : artériomyopathie hyper-rigidité artérielle précoce => mutation dans une myosine des muscles lisses des vaisseaux sanguins (anévrismes/dissections aortiques héréditaires) 35 Transport -> Transporteurs de substances dans le sang -> Transporteurs de molécules à travers la membrane 36 Transporteurs de substances dans le sang Exemples : - L'hémoglobine : transport de l'oxygène - L'albumine sérique : transport des hormones liposolubles et des acides gras libres 37 Exemple clinique : la drépanocytose 38 Transporteurs de substances à travers les membranes Exemples : canaux Cl- de l’épithélium intestinal co-transporteur glucose/Na+ de l’intestin Na+ lumière intestinale intracellulaire Cl- glucose 39 Exemple clinique: le choléra Bactérie Vibrio cholerae => ouverture des canaux Cl=> mouvements d’eau massifs hors des cellules => diarrhée, déshydratation, perte de sels => mort 40 41 Thérapie de réhydratation: solution eau + glucose + sel. => utilisation du co-transporteur glucose/Na+ de l’intestin 42 Communication -> hormones -> récepteurs membranaires 43 Hormones protéiques messagers chimiques dans l’organisme La plupart des hormones sont des protéines. Ex : l'insuline 44 Protéines récepteurs au niveau des membrane Alertent la cellule de la présence de certaines molécules dans leur environnement. Ex : Récepteur à l’acétylcholine neurone muscle contraction 45 Exemple clinique : la myasthénie Maladie auto-immune : intervention d’anticorps anti-Récepteur à l’acétylcholine (anticorps bloquants) neurone muscle contraction contraction 46 Système immunitaire et identification des cellules -> Les anticorps -> le CMH Défense contre les infections Les anticorps des millions différents chacun peut reconnaître spécifique. une molécule 48 Identification des cellules Ex : protéines de membrane CMH (Complexe Majeur d‘Histocompatibilité) Très nombreuses et très variables. => pas deux personnes avec les mêmes. 49 Exemple clinique : maladies auto-immune auto-agressivité du système immunitaire vis à vis des propres constituants de l’organisme 5 à 10 % de la population générale sclérose en plaques, diabète de type 1, lupus, polyarthrite rhumatoïde, … 50 Catalyse => Enzymes => Protéines qui déclenchent ou favorisent les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules. Ex : la trypsine dégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang. 51 Exemple clinique : inflammation du pancréas Dans la pancréatite et la mucoviscidose, la trypsine étant mal évacuée, elle est la principale cause de la réaction inflammatoire du pancréas. 52 Fonction Exemple Elément structural Collagène Mouvement myosine Transporteur sanguin Hémoglobine Transporteur membranaire Canaux Hormone Insuline Identification des cellules Protéines du CMH Récepteur Récepteur à l’acétylcholine Défense contre les infections Anticorps Enzyme Trypsine Apporte une force de tension dans les tissus conjonctifs Actrice de la contraction musculaire Transporte l’oxygène des poumons vers les différents tissus Faire passer la barrière de la membrane à différentes substances Contrôle la concentration du glucose sanguin Permet au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules et donc de ne pas les attaquer Présent sur les cellules des muscles, il reçoit l’acétylcholine et induit la contraction musculaire. Se lient à un agent infectieux et permettent sa destruction par les cellules et molécules du système immunitaire Dégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang 53 I – 2 – ADN (Acides Désoxyribo Nucléiques) exclusivement dans le noyau de la cellule porte l’information génétique (les gènes) Polymère de nucléotides 54 Structure des nucléotides sucre + groupement phosphate + base azotée. P Complémentarité des bases: A (Adénine) = T (Thymine) G (guanine) = C (Cytosine) 55 Polymérisation des nucléotides Partie fixe : squelette sucre- P Partie variable : la séquence de bases C G T A C T 56 Formation d’une double hélice ADN Appariement de 2 chaînes (brins) par les bases Orientation antiparallèle des brins 57 58 2 propriétés capable de se copier lui-même : réplication détient dans sa séquence, la matrice de fabrication des protéines => flux d’information génétique 59 Fonction Transmission du patrimoine génétique de génération en génération, Contrôle de la fabrication des protéines. 60 Synthèse de l’ADN : réplication Les 2 brins complémentaires se séparent Chacun sert à la synthèse d’un complémentaire : A en face de T C en face de G brin 61 ARNs (Acides Ribo Nucléiques) Fabriqués après lecture de l’ADN : transcription nombreuses familles d’ARN avec des rôles de régulation. L’ARN messager transporte l'information génétique du noyau au cytoplasme pour la synthèse des protéines => flux d’information génétique 62 ADN et ARN : 63 II Le flux de l’information génétique 64 Transformation de l’information génétique en protéine Dogme central = ADN -> ARN -> protéine 2 étapes : étape nucléaire : transcription étape cytoplasmique : traduction 65 Etape nucléaire : transcription la séquence d'ADN est reproduite dans une séquence d'ARN appelé messager (ARNm) Même « langue nucléotides » : l’enchaînement des 66 Processus d’amplification -> Plusieurs ARN produits simultanément sur un même gène. -> Plusieurs gènes peuvent être transcrits simultanément. 67 Etape cytoplasmique : traduction => ensemble des processus qui permettent de synthétiser une protéine à partir d'un ARN messager. Langues différentes : nucléotides / acides aminés 68 Le code génétique => règles de correspondance entre des triplets (codons) de nucléotides et des acides aminés ARNm AUGCCCGUCAAGUUGCCGUGA acide acide acide aminé aminé aminé 69 Caractéristiques du code génétique universel non-chevauchant non-ambigu dégénéré (redondant) NB : code génétique ≠ information génétique. 70 Tableau du code génétique 71 Machinerie de traduction : ribosomes 72 Modélisation 3D de la traduction Polypeptide ARNm Ribosome 73 Processus d’amplification Plusieurs ribosomes vont agir sur un même ARNm 74 Régulation du flux d’information génétique 75 noyau ADN gène transcription ARNm cytoplasme sortie du noyau traduction maturation protéique Schéma récapitulatif fonction protéique 76 Cas des virus rétroviraux (HIV…) Information génétique contenue dans de l’ARN au lieu de l’ADN Copie de l’ARN en ADN : retrotranscription L’ADN formé s’intègre dans l’ADN de la cellule -> étape cible de médicaments antiviraux 77 1 Fixation du VIH sur des récepteurs de la cellule cible et pénétration de l'ARN viral dans la cellule 2 Rétrotranscription de l'ARN viral en ADN 3 Intégration de l’ADN au génome de la cellule hôte 4 Transcription de l’ADN étranger en ARN viral 5 Synthèse des protéines virales 6 Assemblage des particules virales 7 Sortie des virus par bourgeonnement 78 III Divisions cellulaires 79 Division cellulaire 80 Division cellulaire 81 III – 1 – Mitose et cycle cellulaire Mitose Interphase 82 Cycle cellulaire 83 Rôles de la mitose Transmission des gènes lors de la division cellulaire le développement embryonnaire la croissance générale la croissance continue le renouvellement des cellules mortes la cicatrisation, les cancers 84 Les chromosomes 46 chez l’humain Décondensés au repos chromosomes décondensés chromosome condensé 85 Interphase : duplication du matériel génétique (réplication) Période entre la fin de la division et le début d'une autre division Chromosome à 1 chromatide Décondensé chromosome à 2 chromatides décondensé 86 87 Etapes de la mitose : 88 Prophase Condensation des chromosomes Disparition de l’enveloppe nucléaire 89 Métaphase Répartition des chromosomes sur la plaque équatoriale 90 Anaphase Séparation des chromatides sœurs Migration de chacune d’elle vers les pôles 91 Télophase Formation de 2 enveloppes nucléaires Début de décondensation des chromosomes 92 Cytodiérèse Division de la cellule en 2 cellules filles 93 Le contrôle de la division cellulaire Contrôle des lésions de l’ADN Contrôle de la réplication de l’ADN Contrôle de la bonne séparation des chromosomes Contrôle de la bonne division des cellules 94 Mitose et cancer 95 Exemple clinique : cancer et protéine P53 Rôle dans le contrôle du cycle cellulaire - Si lésions ADN => blocage du cycle réparation de l’ADN ou mort cellulaire Gène P53 muté => pas de contrôle => Prolifération cellulaire incontrôlée = cancer 96 Résumé mitose réplication de l’ADN cellule mère 46 chr 1 chromatide mitose cellule mère 46 chr 2 chromatides cellules filles 46 chr 1 chromatide 97 II – 2) différentiation et mort cellulaire Différents types cellulaires. => différenciation 98 Renouvellement souches : cellulaire et cellules Totipotentes => œuf et cellules des premiers stades embryonnaires Pluripotentes => donnent différentes cellules d’un même tissu Unipotentes => donnent un seul type de cellule 99 100 101 Exemple de cellules souches pluripotentes : cellules souches hématopoïétiques => donnent les cellules sanguines (globules rouges, globules blancs et plaquettes). 102 Exemple de cellules souches unipotentes : cellules satellites des fibres musculaires (myoblastes) => fusion et différenciation en grandes cellules musculaires à plusieurs noyaux. 103 Cycle cellulaire et cellules souches : cellules souches nécessaires pour renouveler les cellules trop différenciées d’un tissu. Reste cellule souche Entre en différenciation 104 La mort cellulaire : dans de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques. 3 types de mort cellulaire : - la nécrose - l’apoptose - la mort par autophagie. Mort accidentelle Morts programmées 105 Caractéristiques des différentes types de mort cellulaire : 106 II - 3) Division cellulaire et reproduction sexuée : la méiose Diploïdie et haploïdie Organisme / cellules diploïdes cellules haploïdes cellule diploïde 107 La méiose Division cellulaire en 2 phases successives conduisant à la génération de 4 cellules filles haploïdes à partir d’une même cellule mère diploïde. Première division de méiose : division réductionnelle Deuxième division de méiose : division équationnelle 108 méiose méiose II réplication de l’ADN cellule mère 46 chr 1 chromatide méiose I cellule mère 46 chr 2 chromatides cellules filles 23 chr 2 chromatides cellules filles 23 chr 1 chromatide 109 110 Méiose 1 111 Méiose 2 112 113
