Synthese de proteines

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Biologie 12F E. McIntyre
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 lADN doù le nom ARN,
acide ribonucléique.
Ribose
Désoxyribose
4

• 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
5
3
Copie du gène en ARN ARNm (ARN messager)
7
Synthèse de l'ARNm se fait par l'enzyme ARN
polymérase
Lenzyme assemble le brin dARN dans la
direction 5 3 (comme lADN polymérase)
Vitesse de la synthèse 60 nucléotides / s
8
ARN polymérase se fixe à lADN au niveau dune
courte séquence d'ADN placée juste avant le début
du gène promoteur
Le promoteur indique

• Le début du gène à transcrire en ARNm (où lARN
  polymérase doit se fixer sur lADN)
• Quel brin dADN doit être transcrit

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Le promoteur des eucaryotes contient une séquence
de nucléotides faite uniquement des bases A et
T. TATA(A ou T)A(A ou T)A Le plus souvent cest
la séquence TATAAATA Cette séquence est appelée
TATA box (elle est située sur le brin 5-3 à
environ 25 nucléotides avant le début du gène).
Une protéine, appelée facteur de transcription,
reconnaît la TATA box et sy fixe. Il se forme
alors un complexe protéique par lajout dautres
protéines dont lARN polymérase II qui peut alors
commencer son travail de transcription du brin
3-5
10
Plusieurs ARN polymérases II peuvent
 travailler  en même temps, les unes derrières
les autres, sur le même brin dADN. Il peut donc
se former plusieurs copies d'ARN en même temps
Pouvez-vous expliquez ce quon voit sur cette
illustration?
11
La traduction
La synthèse de la protéine (assemblage des acides
aminés) se fait au niveau des ribosomes
12
Les ribosomes
Plus petites structures cellulaires visibles au
microscope électronique seulement.
13
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) .
14
30S
50 S
ARNr en brun protéines en bleu
15
Unité 50S Formée de deux ARNr et de 34 protéines
L'unité 30 S est formée de 1 ARNr et de 21
protéines
16
Unité 50S. Les protéines sont en jaune.
17
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. Cest le cas de ces gènes qui servent
à produire les ARNr
18
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.

19
L'ARN de transfert (ARNt)
ARNt brin d'ARN qui se replie sur lui-même pour
former une structure en 3D
20
Deux zones importantes sur l'ARNt
Extrémité 3' (se termine par CCA) peut se lier
à un acide aminé
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
21
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
L'acide aminé est attaché au bon ARNt par
l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase
22
Il existe plusieurs sortes daminoacyl-ARNt
synthétase. Chacune peut attacher un acide aminé
particulier à un ARNt particulier.
Lenzyme unit lacide aminé à lARNt
23
Chaque ARNt est synthétisé comme l'ARNm à partir
de gènes spéciaux de l'ADN (encore des gènes qui
ne codent pas pour des protéines)
24

• N.B.
• Un gène peut coder pour la synthèse d'une
  protéine
• Un gène peut 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
25
Mécanisme de la traduction
Le brin d'ARNm s'attache au ribosome. En fait,
il sattache dabord à la petite unité. Cest à
ce moment que la grosse unité vient se fixer.
Donc, les deux unités ne sassemblent que
lorsque lARNm se fixe à la petite unité.
Deux ARNt peuvent se fixer par leur anticodon sur
lARNr au niveau du ribosome (un sur la zone
appelée site P et lautre sur la zone appelée
site A).
26
LARNt à lanticodon UAC se fixe sur le codon
AUG. Lanticodon 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 lARNm. Ces trois nucléotides de
lARNm constituent ce quon appelle un codon.
Après leur fixation, les acides aminés quils
transportent sont reliés entre eux (le catalyseur
est constitué dune partie de lARN du ribosome
et non dune enzyme protéique).
27
Le ribosome avance de trois unités
Le premier ARNt est retiré.
28
(No Transcript)
29

• Vitesse de la synthèse
• Chez E. coli 5 AA / s
• Chez eucaryotes 16 AA / s

Tous les ARNm se terminent par le codon (triplet
de bases) UAA, UAG ou UGA codons STOP. Lorsque
le ribosome atteint un codon STOP, une enzyme
(facteur de terminaison) s'y fixe et détache
l'ARNm du ribosome.
gt le ribosome se sépare en deux Les deux unités
se réuniront à nouveau si un ARNm se fixe à la
petite unité.
30
Polypeptide
ARNm
Ribosome
31
La protéine synthétisée pénètre dans le reticulum
endoplasmique où elle prendra sa forme finale.
32
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 dADN et voyez quelle
protéine sera synthétisée
33
Le segment dADN
5 ...C T A... 33 ...G A T... 5
code pour lacide aminé Leucine (Leu) Mais
doit-on écrire que cest 5 C T A 3 qui code
pour Leu ou bien est-ce 3 G A T 5 ?
Par convention, cest toujours le brin
complémentaire au brin transcrit qui est indiqué
comme brin dADN codant. Donc, dans ce cas, on
dira que le brin codant (ou brin sens) est 5 C
T A 3 et le brin non codant (ou non sens) est
3 G A T 5 . Sur ce site, par exemple, ou sur
celui-ci, cest cette convention qui est utilisée.
34
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
35
Découverte du code
Code déchiffré entre 1961 et 1964
Expériences de Nirenberg et Khorana (Nobel 68)
DONC UUU PHE
36
Par convention, le code génétique est toujours
représenté en faisant correspondre les codons de
lARNm 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
Entrez une séquence et voyez la protéine codée
http//library.thinkquest.org/3564/dna2protein.h
tml
37
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

38
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.
39
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
40
Exemples bactéries qui synthétisent Insuline Fac
teurs de coagulation Hormone de
croissance Enzymes pouvant métaboliser certains
polluants (pétrole par exemple) Protéines
synthétiques qui n'existent pas dans la
nature ETC.
41
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.
42
(No Transcript)
43
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
44
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
?
45
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???
46
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
47
Dolly 1997-2003
N.B. Il a fallu dans le cas de Dolly 276 essais
avant de réussir.
48
Peut-être un jour ???
49
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

50
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
51
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.htm
l
52
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
53
Quels codons codent pour VAL ?
GUU GUG GUC GUA
Code
Quels codons codent pour GLU ?
GAA GAG
Quelle mutation peut avoir changer Glu par Val?
GAA (CTT dans lADN) peut avoir été remplacé par
GUA (CAT dans lADN) OU GAG (CTC dans lADN) peut
avoir été remplacé par GUG (CAC dans lADN)
54
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)
gt arrêt de la synthèse avant la fin mutation
non sens
55
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.htm
l
56
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
57
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
58
Taille du génome en nombre de paires de bases
59
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//lbbe.univ-lyon1.fr/
60
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.
lbbe.univ-lyon1.fr
61

• ADN non codant situé
• Entre les gènes codant
• OU
• À l'intérieur même des gènes introns

ADN non codant formé de toutes sortes de choses
Pseudogènes
Rétrotransposons
Satellites
À lire Chromosome 8, lintérêt personnel
Transposons
Minisatellites
Microsatellites
62
Les introns
Introns séquence non codantes situées à
l'intérieur des gènes
Parties codantes exons
90 de certains gènes introns Ex. gène du
collagène contient 50 introns! Taille des introns
varie de 31 à 210 000 bases
63
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.
64
(No Transcript)
65
Chez les vertébrés, la longueur moyenne de
l'unité de transcription est environ 5 à 10 kb,
dont 75-80 d'introns Cavalier-Smith 1985b,
Smith 19889, mais les gènes de 100 à 200 kb
contenant moins de 3 d'exon ne sont pas rares.
Le record actuel est celui du gène DMD
(dystrophine), responsable de la myopathie de
Duchenne, qui s'étend chez l'homme sur 2,5 Mb,
dont 99,3 d'introns.http//biomserv.univ-lyon1.f
r/txtdoc/THESES/DURET/TheseD.htmlRTFToC1
66
Hybridation ARNm épissé avec le gène
correspondant d'ADN
67
(No Transcript)
68
(No Transcript)
69

• L'ARNm subit aussi d'autres modifications
• Ajout d'une forme modifiée de la guanosine à
  l'extrémité 5' coiffe 5' (protège contre les
  enzymes hydrolytiques et sert de point d'attache
  au ribosome).
• Ajout, à l'autre extrémité (3') d'une chaîne
  poly-A (30 à 500 nucléotides A) (protège aussi
  contre enzymes hydrolytiques).

70
20 des maladies génétiques sont dues à des
erreurs d'épissage.
71
Dans certains cas, un même gène peut être épissé
de différentes façons pour donner différentes
protéines.
Il y aurait chez l'humain entre de 30000 et 60000
gènes, mais plus de 100 000 protéines différentes
Mais qu'est-ce qu'un gène ?????
72
Combien de gènes ?
Selon les équipes qui ont séquencé l'ensemble du
génome humain il y aurait entre 30 000 et 40 000
gènes dans le génome humain.
Arabidopsis thaliana (une petite plante) contient
25 000 gènes. C. elegans (un nématode) en
contient 19 000 La drosophile, 13 600
Arabidopsis thaliana
C. elegans
À lire Quelle est la taille du génome humain
73
FIN