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Partie n°2 : Chapitre n°3

Chapitre n°3 : La synthèse des protéines Nous avons vu dans les chapitres précédents l’importance des protéines. Le génotype s’exprime au travers des protéines. Les instructions nécessaires à la synthèse des protéines sont stockées dans chaque cellule au niveau de la molécule d’ADN. L’information génétique codée par une séquence de nucléotides ; un gène gouverne la synthèse d’une séquence d’acides aminés ; une protéine.

Problème : Quels sont les mécanismes cellulaires qui assurent le passage du gène à la protéine?

1 – Les caractéristiques du programme génétique (rappel)

La synthèse cytoplasmique des protéines et la localisation nucléaire de l’ADN imposent la mise en place d’un intermédiaire entre l’ADN et les protéines. 2 - La nécessité d’un intermédiaire Bilan sur la transcription de l’ADN (TP n°6) Chez les eucaryotes, l’ADN est localisé dans le noyau. La synthèse des protéines n’intervenant que dans le cytoplasme, il existe donc une molécule intermédiaire capable de porter l’information du noyau vers le cytoplasme. Cette molécule est appelée ARNm (Acide RiboNucléique messager). L’étape qui conduit à partir d’un gène à la synthèse d’un ARN m est appelée la transcription. Cette étape a lieu dans le noyau. Lors de la transcription un seul brin de la molécule d’ADN est copié en ARNm au niveau du gène. Le brin qui sert de matrice (modèle) pour la synthèse de l’ARNm est appelé le brin transcrit. La molécule d’ARN obtenue est en fait une copie conforme (Thymine remplacée par l’uracile) de l’autre brin de la molécule d’ADN (gène) que l’on nomme le brin non transcrit ou brin codant. Exemple :

ADN AATTGGCCTT brin transcrit TTAACCGGAA brin codant

ARN m →

UUAACCGGAA

La transcription consiste en une polymérisation de nucléotides particuliers dont la séquence est complémentaire du brin transcrit. Cette polymérisation repose sur la complémentarité des bases azotées. La transcription nécessite l’intervention d’un complexe enzymatique, l’ARN polymérase capable d’ouvrir la molécule d’ADN (rupture des liaisons faibles), de lire le brin transcrit et de polymériser la molécule d’ARNm (40 nucléotides/seconde, erreur 1 nucléotide pour 100 000). Voir livre p.53.

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Partie n°2 : Chapitre n°3

Un gène transcrit conduit à la synthèse de nombreux ARNm identiques, car plusieurs ARN polymérases travaillent à la suite au niveau d’un gène (voir schéma d’interprétation du TP). Il y a donc un phénomène d’amplification lors de la transcription. Remarque : Un gène doit comporter sous forme de séquences particulières de nucléotides, des repères de début de gène et de fin de gène qui permettent aux enzymes de transcrire correctement un gène. L’ARNm obtenu est proche de l’ADN, il présente la même séquence que le brin codant, cependant : + Le sucre (ose) des nucléotides est un ribose (sucre en C5) et non un désoxyribose. + L’ARNm ne contient pas de thymine, cette base azotée est remplacée par l’uracile, base très proche chimiquement. + L’ARNm est une molécule monocaténaire et non bicaténaire, mobile.

L’ARNm synthétisé dans le noyau, gagne le cytoplasme par les pores nucléaires. Dans le cytoplasme cette molécule messager va être lue et traduite en une séquence d’acides aminés, c’est à dire en une protéine. (Voir TP n°7) Quelles sont les modalités de la traduction de l’ARN m en protéines ?

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Partie n°2 : Chapitre n°3

3 - De l’ARNm à la synthèse des protéines : La traduction Voir TP n°7 La transformation d’une molécule d’ARNm en une chaîne polypeptidique est appelée une traduction. La traduction conduit à la synthèse des protéines. Pour traduire la séquence des nucléotides de la molécule d’ARNm en séquence d’acides aminés (aa) formant une protéine, la cellule va utiliser un système de correspondance, un code entre la séquence des bases azotées et celle des acides aminés. Il s’agit du code génétique. 1 aa est codé par un groupe de 3 bases azotées de l’ARNm. Ce groupe de trois bases (triplet) est appelé un codon. La lecture d’un codon conduit à l’expression d’un aa. Comme il y a 4 bases azotées différentes (ATGC) en les associant par trois on obtient 4 3 = 64 associations différentes, c’est à dire 64 codons différents possibles au niveau de l’ARNm. + 61 codons significatifs (codant pour des aa) + 3 codons non-sens (codons stop)  Le code génétique est redondant : Comme il n’existe que 20 aa pour 61 codons significatifs, il apparaît que le code génétique est dégénéré ou redondant. Cela signifie que la plupart des aa sont codés par plusieurs codons différents (6 au maximum). Exemples : aa : Sérine codons : UCU, UCC, UCA, UCG (= codons synonymes) (Seuls le tryptophane et la méthionine sont codés par un seul codon) Les codons qui codent pour le même aa sont dits synonymes.  Le code génétique n’est pas ambigü : un codon spécifie un seul acide aminé  Le code génétique est universel : Tous les êtres vivants de la bactérie à l’homme utilisent le même code génétique (les codons signifient les même aa). (La possibilité d’une transgenèse en est une preuve) De rares exceptions chez la paramécie et dans les mitochondries. L’universalité du code génétique renforce l’idée d’une évolution de tous les organismes vivants à partir d’un ancêtre commun apparu très tôt dans l’histoire de la vie vers 4 milliards d’années.

L’utilisation concrète de ce code génétique par la cellule a lieu dans le cytoplasme. Elle nécessite de l’énergie et de nombreuses nouvelles molécules ou outils Cette étape est la synthèse des protéines. 3


Partie n°2 : Chapitre n°3

 Le rôle des ribosomes et ARNt L’ARNm est le plan de formation nécessaire à l’incorporation à la bonne place des acides aminés. Dans le cytoplasme l'ARN m est associé à de nombreuses molécules appelées des ribosomes. Cette association entre 1 ARNm et plusieurs ribosomes forme un chapelet que l'on nomme un polysome. Voir livre p.50 

Les ribosomes (polysomes) représentent les ateliers d’assemblages (têtes de lecture de l’ARNm) des aa. Ils sont capables de se déplacer le long de l’ARNm. Il s’agit de molécules d’ARN avec des fonctions enzymatiques capables de réaliser la liaison peptidique. Toutes les enzymes ne sont donc pas des protéines. Exception intéressante d’un point de vue de l’évolution ! Au niveau de chaque ribosome apparaît une molécule de protéine en cours de synthèse. Comment agit un Ribosome ?

A l'intérieur d'un ribosome viennent se positionner 2 ARNt. Les ARNt (transfert) sont les adaptateurs qui apportent l’aa correspondant au codon présent au niveau du ribosome. Un ARNt dispose d'un pôle anticodon complémentaire du codon et d'un pôle qui fixe l'acide aminé spécifique. Lorsque 2 ARNt sont présents dans un ribosome, une liaison peptidique se crée entre les 2 aa.

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Partie n°2 : Chapitre n°3 La synthèse d’une protéine se déroule en trois étapes : (voir schéma bilan)   

L’initiation qui se caractérise par la mise en place d’un ribosome au niveau du premier codon de l’ARNm (AUG) désignant la méthionine. Il s’agit du codon initiateur. L’élongation du polypeptide par le déplacement du ribosome sur l’ARNm et incorporation d’un nouvel aa accroché au précédent par une liaison peptidique. La terminaison provoquée par l’arrivé du ribosome au niveau du codon stop de l’ARNm ce qui déclenche la libération de la protéine par dissociation du ribosome.

Chaque molécule d’ARNm sert de matrice pour la synthèse de 10 à 20 polypeptides identiques puis est détruite (phénomène d’amplification). Cette synthèse simultanée par plusieurs ribosomes d’un ARNm forme un polysome observable en microscopie au niveau du cytoplasme de la cellule. Conclusion sur la transcription, la traduction : (voir schéma bilan)

4 – Mutations et synthèse des protéines (voir TP7 et doc. 16 p55) Une mutation correspond à une modification de la séquence de nucléotides d’un gène. Celle ci peut survenir par une délétion (perte), une substitution ou une insertion d’un nucléotide. Le mécanisme de transcription n’étant pas altéré par la mutation, la molécule d’ARNm est synthétisée et porte également la mutation. Une mutation peut avoir 3 effets au niveau du phénotype moléculaire et donc macroscopique : 

Une mutation n’a aucun effet sur le polypeptide synthétisé. La substitution d’un nucléotide conduit à la mise en place du même acide aminé. Ceci s’explique par la redondance du code génétique.

Une mutation conduit à la mise en place d’un aa différent, mais ceci ne change pas la fonction du polypeptide. La mutation n’apparaît pas au travers du phénotype.

Une mutation conduit à un phénotype moléculaire différent. C’est le cas lors d’une insertion ou délétion d’un nucléotide. Ces modifications changent le cadre de lecture et conduisent parfois à l’apparition au niveau de l’ARNm d’un codon stop. La synthèse du polypeptide est arrêtée prématurément et la chaîne d’acides aminés est raccourcie et la protéine non fonctionnelle.

Conclusion 5


Partie n°2 : Chapitre n°3 Les relations entre le génotype et le phénotype :

Génotype : 1 gène

Mutations

Allèle 1

Duplication

Allèle 2

Allèle 3

Polymorphisme génique ou polyallélisme génétique

ARN polymérase

Transcription Noyau

ARNm 1

ARNm 2

ARNm 3

Cytoplasme

ARNm 1

ARNm 2

Traduction

Polypeptide 1

ARNm 3

Traduction

Polypeptide 2

Polypeptide 3

Phénotype moléculaire

Phénotype cellulaire

Phénotype macroscopique 6


La synthèse des protéines