LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES

1. LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES

2. La transcription 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

3. ARN diffère de l'ADN: Sucre des nucléotides = ribose et non désoxyribose comme dans l’ADN d’où le nom ARN, acide ribonucléique. Ribose Désoxyribose

4. Certains segments de l’ARN peuvent s’apparier s’ils sont complémentaires • La base azotée thymine (T) remplacée par Uracyl (U) (U peut s'apparier à A) • Une seule chaîne de nucléotides • Molécules plus courtes et plus instables que l'ADN

5. Première étape de la synthèse d'une protéine = copie du gène (ADN) en une molécule d'ARN = transcription Ribonucléotides libres

6. 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ L'ARNm se détache et la molécule d'ADN se referme 3’ 5’ 5’ 3’ Copie du gène en ARN = ARNm (ARN messager)

7. Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN polymérase

8. La traduction La synthèse de la protéine (assemblage des acides aminés) se fait au niveau des ribosomes

9. Cellule Noyau Nucléole Chaque unité formée d'un mélange d'ARN (= ARNr) et de protéines (~ 60% ARNr et 40% protéines). Les sous-unités sont synthétisées dans le ou les nucléole(s) du noyau (les nucléoles sont des points plus sombres visibles au microscope dans le noyau) .

10. ARNr synthétisé comme l'ARNm à partir de gènes spéciaux (ADN). Ces gènes existent en des centaines de copies dans le génome. Donc, certains gènes ne codent pas pour des protéines. C’est le cas de ces gènes qui servent à produire les ARNr

11. 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.

12. L'ARN de transfert (ARNt) ARNt = brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour former une structure en 3D

13. Deux zones importantes sur l'ARNt : Cette extrémité peut se lier à un acide aminé spécifique N.B. certains nucléotides sont exotiques (différents des 4 habituels). I, par exemple = "inosine" un dérivé de l'adénine. I peut s'apparier avec U, C ou A. Anticodon = zone formée de trois nucléotides pouvant se lier à l'ARNm

14. 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

15. N.B. • Un gène peut coder pour la synthèse d'une protéine • Un gène peut aussi coder pour la synthèse d'un ARNr ou ARNt (ces gènes existent en des milliers de copies dans le génome) DONC, gène = brin d'ADN qui est copié en ARN

16. Mécanisme de la traduction Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. 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).

17. L’ARNt à l’anticodon UAC se fixe sur le codon AUG. L’anticodon UGC se fixe sur le codon ACG Liaison codon-anticodon de deux ARNt (il y a deux sites de liaison sur le ribosome). 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.

18. Un autre ARNt se met en place Le ribosome avance de trois unités Le premier ARNt est retiré.

20. Polypeptide ARNm Ribosome

21. La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale.

22. 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. Entrez une séquence d’ADN et voyez quelle protéine sera synthétisée

23. La vitesse de synthèse peut être augmentée: Plusieurs copies d'ARNm sont synthétisées à partir du gène. Un même ARNm peut se fixer à plusieurs ribosomes à la fois = polyribosome ARNm peut s'accumuler dans la cellule sous forme inactive

24. Découverte du code Code déchiffré entre 1961 et 1964 Expériences de Nirenberg et Khorana (Nobel 68) DONC: UUU = PHE

25. Par convention, le code génétique est toujours représenté en faisant correspondre les codons de l’ARNm aux acides aminés auxquels ils correspondent. Le codon AUG (code pour MET) = codon d'initiation. Tous les gènes commencent par ce codon. La MET est souvent enlevée à la fin de la synthèse. Le code génétique

26. Code = UNIVERSEL ie. c'est le même pour tous les êtres vivants sauf quelques rares exceptions: Certains protistes : un seul codon STOP (UGA); les autres codent pour un acide aminé. Les mitochondries ont leur propre ADN et leurs propres ribosomes qui sont plus petits (ressemblent à ceux des procaryotes). Il peut y avoir jusqu'à 6 codons différents (5 chez humains). Cette caractéristique permet le transfert de gènes d'une espèce à l'autre = génie génétique • Introduction de gènes dans une bactérie • Introduction de gènes dans un organisme pluricellulaire

27. Ex. production d'insuline humaine par une bactérie : On prélève le gène de l'insuline humaine et on l'introduit dans le plasmide d'une bactérie.

28. On extrait les plasmides de bactéries Une enzyme de restriction ouvre les plasmides On extrait ou on synthétise le gène à greffer et on le multiplie en de nombreux exemplaires. On mélange des copies du gène et des plasmides. Une enzyme (ligase) fusionne les brins d'ADN Les plasmides sont réintroduits dans des bactéries Le gène est reproduit quand la bactérie se reproduit

29. Exemples: bactéries qui synthétisent: Insuline Facteurs de coagulation Hormone de croissance Enzymes pouvant métaboliser certains polluants (pétrole par exemple) Protéines synthétiques qui n'existent pas dans la nature ETC.

30. On peut aussi modifier les êtres pluricellulaires: Végétaux: Le gène est introduit dans une cellule du parenchyme ou méristématique. Cette cellule est multipliée en éprouvette pour former un nouvel individu (cloning). Animaux: Le gène est introduit dans un ovule fécondé ou une cellule embryonnaire. L'ovule est implanté dans l'utérus d'une mère porteuse.

32. Plantes résistantes aux insectes. Résistantes aux herbicides. Résistantes au gel. Fruits et légumes qui se conservent plus longtemps. Nouvelles saveurs. Plantes plus riches en certains éléments nutritifs (vitamines par exemple). ETC. Riz possédant des gènes lui permettant de synthétiser du bêta carotène, le précurseur de la vitamine A

33. Animaux à croissance plus rapide. Animaux plus faibles en gras. Animaux plus productifs (en lait, en viande, en œufs). Production de protéines à usage pharmaceutique (insuline, par exemple). ETC. Ces saumons ont le même âge. Celui du bas est un OGM DANGERS ????? Pour la santé? Pour l'environnement ?

34. Thérapie génique: corriger les gènes défectueux en introduisant dans les cellules le gène normal. Problème : comment introduire le gène dans chacune des cellules à corriger???

35. Le cloning On extrait une cellule ordinaire de la brebis A. B A On extrait un ovule de la brebis B. Le noyau de l'ovule est détruit et remplacé par le noyau de la cellule de la brebis A. L'ovule avec son nouveau noyau est implanté dans une brebis C. C Qui donne alors naissance à un jumeau identique (clone) de A. Clone de A

36. Dolly 1997-2003 N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais avant de réussir.

37. Les mutations • Mutation = modification de l'information génétique (ADN) • Une mutation peut être: • Chromosomique = altération d'un chromosome complet • Ponctuelle = anomalie dans la séquence des nucléotides

38. Cause des mutations: Erreur lors de la séparation des chromosomes (mutations chromosomiques) à la division cellulaire Erreur de réplication (erreur de copie non réparée) Erreur causée par une altération de l'ADN par des agents extérieurs = agents mutagènes • Causes physiques : radiations (UV, X, gamma) • Causes chimiques : molécules agissant sur l'ADN Goudron du tabac Benzène Aflatoxines de certaines moisissures Radicaux libres

39. Types de mutations • Substitutions • Délétions • Insertions Substitution Une paire de nucléotides remplacée par une autre. Peut n'avoir aucun effet = mutation silencieuse Ex. CCG (Gly) changé par CCA (Gly aussi) http://library.thinkquest.org/3564/dna2protein.html

40. Ex. la chaîne ß de l'hémoglobine 145 AA) Anémie falciforme = maladie génétique caractérisée par une hémoglobine anormale. Anomalie dans la chaîne ß de l'hémoglobine : 6e acide aminé = VAL alors qu'il devrait être GLU

41. Quels codons codent pour VAL ? GUU GUG GUC GUA Code Quels codons codent pour GLU ? GAA GAG Quelle mutation peut avoir changé Glu par Val? GAA (CTT dans l’ADN) peut avoir été remplacé par GUA (CAT dans l’ADN) OU GAG (CTC dans l’ADN) peut avoir été remplacé par GUG (CAC dans l’ADN)

42. Peut entraîner la modification d'un acide aminé de la protéine. • Parfois peu ou pas d'effet. • Parfois diminue ou supprime l'efficacité de la protéine. • Rarement confère une nouvelle propriété (enzyme plus efficace ou possédant de nouvelles propriétés catalytiques par exemple). Dans certains cas un codon devient un codon STOP Ex. AAG devient UAG (STOP) ==> arrêt de la synthèse avant la fin = mutationnon sens

43. Délétions ou insertions = addition ou délétion d'une ou plusieurs paires de bases. Effet désastreux: tous les acides aminés sont changés SAUF si la modification fait intervenir un multiple de trois nucléotides. = mutation décalage du cadre de lecture (frame shift) Rendez-vous au lien ci-dessous et voyez ce qui se produit si on enlève ou on ajoute un nucléotide à une séquence donnée. http://library.thinkquest.org/3564/dna2protein.html

44. La mutation ne devient héréditaire que si elle se transmet à la descendance, donc si elle survient dans un gamète ou une cellule formant des gamètes. Généralement les mutations provoquent un dérèglement mortel de la cellule. Dans certains cas, c'est la reproduction de la cellule qui se dérègle = CANCER

45. Structure des gènes chez les eucaryotes 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

46. Taille du génome en nombre de paires de bases

47. Nous savons depuis plus de 40 ans [Mirsky et Ris 1951, cités dans Cavalier-Smith 1985a] que la taille des génomes n'est pas en relation directe avec la complexité d'un organisme, ni avec le nombre de ses gènes. Par exemple, chez les eucaryotes unicellulaires, la taille des génomes varie de 9 Mb (levure Saccharomyces cerevisiae) à 700 000 Mb (amibe Amoeba dubia), soit un rapport de presque 80 000. Parmi les seuls amphibiens, la quantité d'ADN varie de 1 à 100; le crapaud Xenopus laevis possède un génome approximativement de la même taille que celui de l'homme (3400 Mb), 30 fois plus petit que celui de la salamandre Necturus maculosus (102 500 Mb) [Licht et Lowcock 1991]. A ce jour, chez les vertébrés, les plus petits génomes connus sont ceux des poissons actinoptérygiens tétraodontiformes (400 à 500 Mb) [Pizon et al. 1984], le plus grand celui du poisson dipneuste Protopterus aethiopicus (147 000 Mb) (fig. I.3) [pour revue, voir Cavalier-Smith 1985a,b, Olmo et al. 1989]. Ainsi, des organismes de degré de complexité similaires possèdent des génomes dont les tailles sont extrêmement différentes. http://biomserv.univ-lyon1.fr/txtdoc/THESES/DURET/RTFToC1

48. Contrairement à la taille des génomes, le nombre de gènes codant pour des protéines semble être corrélé (grossièrement) avec le degré de complexité de l'organisme [Cavalier-Smith 1985b]. Parmi les eucaryotes, le nombre de gènes protéiques varie d'environ 7000 chez la levure [calculé à partir de Dujon et al. 1994], à 100 000 au maximum chez les mammifères [Fields et al. 1994]. Cette variation d'un facteur 15 du nombre de gènes protéiques est nettement insuffisante pour expliquer la variation d'un facteur 300 de la taille des génomes de ces organismes. Les autres unités fonctionnelles (gènes d'ARN structuraux, origines de réplication, sites de recombinaison, etc. - voir définitions plus loin) ne contribuent pas significativement à la taille du génome. En définitive, l'essentiel des variations dans la taille des génomes concerne de l'ADN dont on ne connaît pas la fonction. En d'autres termes, une portion substantielle du génome eucaryote ne contient pas d'information génétique. Chez les vertébrés, la quantité d'ADN ne codant pas pour des protéines (ADN non-codant) représente de 65 % (tétraodontiformes) à plus de 99,9 % du génome (Protopterus aethiopicus) [calculé à partir de Cavalier-Smith 1985b]. http://biomserv.univ-lyon1.fr/txtdoc/THESES/DURET/RTFToC1

49. Hybridation ARNm épissé avec le gène correspondant d'ADN