Séquence 4: Expression de l'information génétique

 Structures de l'ADN et d'un polypeptide (protéine)

a-Correspondance entre ADN et polypeptide

Comparer la structure de l’ADN et Protéine en complétant le tableau ci-dessous (voir réponses ci-dessous)

	ADN	Polypeptide
Nombre de chaînes	R22	R23
Molécule élémentaire ou monomère constitutive	R24	R25
Nature et propriété	R26	R27

 

 D’après Watson et Crick, la séquence des bases de nucléotides d’ADN dans le noyau détermine la nature de protéine dans le cytoplasme c’est-à-dire la séquence d’acides aminés constitutifs de protéine.

Comme l’ADN se trouve dans le noyau et la synthèse de protéine s’effectue dans le cytoplasme au niveau des ribosomes, la correspondance entre Information génétique(ou ADN) et son expression (protéine) ne se réalise pas de manière directe, elle fait intervenir une autre molécule d’acide nucléique appelé ARN.

b- ARN : acide ribonucléique

C’est un autre type d’acide nucléique constitué également de l’enchaînement de nucléotides ou ribonucléotides comme l’ADN avec quelques différences.

·         Pour l’ARN : le sucre est le ribose

             La base azotée thymine est remplacée par Uracile U, les trois autres bases sont identiques pour les deux acides nucléiques.

·         L’ARN est formé d’une seule chaîne de nucléotides, cependant il existe une complémentarité des bases : A complémentaire de U et G de C. On dit que l’ARN est monocatenaire.

·         Trois sortes d’ARN existent :

-ARN ribosomal ou ARNr localisé au niveau des ribosomes dans lesquels sont combinés des protéines. Les ARN ribosomaux constituent, avec des protéines, les sous- unités des ribosomes, qui participent à la traduction lors de la synthèse de protéine;

-ARN messager ou ARNm constitué d’une chaîne linéaire, synthétisée sur le modèle de chaîne d’ADN par complémentarité de bases dans le noyau. Puis il passe dans le cytoplasme par les pores nucléaires pour transporter le message commandé par l’ADN pour la synthèse de protéine

Les bases d’ARNm se groupent par trois pour former un triplet de bases de nucléotide appelé codon.

-ARN de transfert ouARNtpetitemolécule constituée de 70 à 80 nucléotides formant une seule chaîne repliée sur elle-même. Ce repliement présente souvent un triplet de bases appelé anti-codon correspondant à un acide aminé et au codon.Il est chargé d’adapter l’acide aminé au codon complémentaire d’anti-codon.

c-Comparaison et localisation des acides nucléiques

Compléter le tableau comparant l’ADN et l’ARN (voir réponses ci-dessous)

Acides nucléiques		ADN	ARN
Nucléotide	Acide	R28	R29
	Sucre	R30	R31
	Bases	R32	R33
Structure		R34	R35
Localisation		R36	R37

On peut mettre en évidence ces acides nucléiques par des tests de coloration :

Test de Feulgen :

·         Traiter à l’HCl au préalable, la cellule

·         Faire agir le réactif de Schiff ou fuscine décolorée par l’acide sulfurique sur la cellule préalablement traitée

L’ADN recolore en rouge la fuschine décolorée.

• Résultat : Au niveau des filaments de chromatine dans le noyau, la fuschine est recolorée en rouge donc on peut déduire que de l’ADN est localisé au niveau des filaments de chromatine 

Test de Bracket

Réactif utilisé : mélange de vert de méthyl-pyronine

             Le vert de méthyl colore en vert l’ADN

             La pyronine colore en rose l’ARN.

Traiter d’abord la cellule par une enzyme spécifique hydrolysant un acide nucléique que l’on ne veut pas encore localiser.

Faire agir le mélange de vert de méthyl-pyronine sur la cellule déjà traitée

Résultats après chaque expérience :

Dans le noyau, les filaments de chromatine colorés en vert signifient que l’ADN est localisé au niveau des filaments de chromatine

Des colorations roses apparaissent au niveau de nucléole dans le noyau et du cytoplasme: cela signifie que l’ARN est localisé aussi bien dans le nucléole que dans le cytoplasme.

 

Mécanisme de la biosynthèse des protéines

a-     Nature de l’information génétique et gène 

Chez les Eucaryotes, le noyau des cellules renferme de l’ADN qui est le support de l’information génétique et qui est identique dans toutes les cellules d’un même organisme.

Les protéines, molécules primordiales de la vie cellulaire, sont l'expression de l'information génétique contenue dans l'ADN.

ü  La synthèsede ces polymères d'acides aminés a lieu dans le cytoplasme, au niveau de petits organites: les ribosomes. Elle se réalise lors de l'interphase.

ü  Le gène est la plus petite portion d’ADN capable d’induire la synthèse d’une molécule de protéine spécifique, responsable d’un caractère de la cellule de l’individu.L’ensemble des caractères de l’individu est transmis aux descendants.

  Comme un individu présente plusieurs caractères, il existe alors plusieurs protéines responsables donc il doit exister nécessairement plusieurs gènes dans chaque cellule de l’individu. Plusieurs gènes sont localisés sur un même chromosome. L’emplacement de chaque gène sur un chromosome s’appelle locus

b-    Les différentes étapes de la synthèse de protéine

La synthèse de protéine à partir de l’ADN se fait en 2 étapes :

              - la transcription qui se déroule dans le noyau

              - la traduction, dans le cytoplasme

- La transcription de l’ADN en ARNmcorrespond à la synthèse d'ARNm à partir d'un seul brin codant ou brin transcrit d'ADN,en présence d'ARN polymérase, par complémentarité des bases.

Les étapes suivantes se succèdent :

- Fixation de l’ARN polymérase sur une séquence d’ADN qui contient le site d’initiation ou promoteur où la synthèse d’ARNm va commencer

- Coupure des liaisons hydrogènes entre les bases complémentaires et ouverture de la double chaîne

- Copie de brin transcrit : fixation des nucléotides d’ARNm à bases complémentaires sur le brin codant formant ainsi une chaîne.

- Arrivée au niveau du signal de terminaison, l’ARN polymérase libère la matrice d’ADN et la chaine d’ARNm.

 

La molécule d’ARNm formée sort du noyau par les pores nucléaires et va dans le cytoplasme pour être traduite en séquence d’acides aminés à l’origine d’une protéine 

La traduction de l’ARNm en protéine correspond à exprimer l'information portée par l'ARNm (séquence nucléotidique) en une séquence d'acides aminés (protéines). C'est la synthèse de protéine qui se déroule dans le hyaloplasme.

    Ses principaux acteurs sont :

 - un modèle, détenteur de l'information: l'ARNm

 - un système de lecture: les ribosomes

- des adaptateurs, les ARNt, qui assurent la correspondance entre acides aminés et ARNm

- le stock cellulaire d'acides aminés

- un fournisseur d'énergie, des systèmes enzymatiques et des facteurs protéiques conditionnant le fonctionnement des ribosomes

   La synthèse d'une chaîne polypeptidique comporte trois étapes successives qui sont:

·         L'initiationqui consiste à la mise en place

- de la petite sous-unité ribosomiale,

- d'un ARNt porteur d'un premier acide aminé (complexe ARNt-méthionine activée ou ARNtformyl-méthionine activée),

- puis de la grosse sous-unité ribosomiale;

·         L'élongation s'effectue par adjonction de nouveaux acides aminés. Cet accrochage successif se fait en 3 temps:

- Association codon-anticodon ;

- Transfert d'énergie permettant la formation d'une liaison peptidique entre 2 acides aminés;

- Translocation (décalage ribosome/ARNm sur une longueur d'un codon, dans le sens 5' -7 3')

·         La terminaison apparaît lors de la lecture d'un codon-stop : Elle entraîne la dissociation de l’ARNm -les deux sous-unités ribosomiales - la méthionine (1^er acide aminé au bout de la chaîne) - la chaîne polypeptidique constituée, qui acquiert spontanément sa configuration tridimensionnelle (protéine).

 

 

c-       Code génétique

La séquence des 20 acides aminés qui peuvent constituer une protéine est programmée dans l'ADN et donc dans sa copie transcrite: l'ARNm. Il existe un système de correspondance entre la séquence des 4 nucléotides (et donc des 4 bases azotées) de l'ADN et la séquence de 20 acides aminés : l'unité de code ou codonest un triplet de bases d’ARNm.

Comme il existe 4 bases d’ARNm différentes pour former un triplet, alors on a 4³ combinaisons possibles c'est-à-dire 64 codons. On sait maintenant que la plupart des codons correspondent à un acide aminé précis. Cette correspondance codon-acide aminé constitue le code génétique. Le code génétique est le même chez tous les êtres vivants : Il est universel.

La lecture des codons est non chevauchante : une base n'appartient qu'à un seul codon à la fois.

Le lien entre les acides aminés et les codons est assuré par les ARNt. Chacun d'entre eux reconnaît le codon grâce à un triplet de bases d’ARNt qui forment l'anticodon.

Les 64 codons possibles pour 20 acides aminés, se répartissent en :

  - codons synonymes (triplets différents mais codant pour un même acide aminé), le code est redondant;

     - codons ponctuations qui indiquent le début et la fin de traduction, le message est ponctué.AUG marque le début du gène : c’est le codon initiateur correspondant à l’acide aminé Méthionine(Met) ; codons non-sens ou codon stopmarquent la fin du gène

- Dans la pratique, on désigne parfois le nom de chaque acide aminé par ses trois premières lettres pour simplifier; exemples  Serine = Ser, Leucine=Leu

 Remarques 

·         Toute modification de la séquence de nucléotides de l'ADN peut avoir des répercussions sur la qualité du polypeptide synthétisé: c'est une mutation

·         Toutes les activités biologiques à l’intérieur de la cellule nécessitent de l’énergie ; celle-ci est fournie par l’hydrolyse d’ATP produit par les mitochondries responsables de la respiration cellulaire.

·         Les protéines synthétisées dans une cellule sont :

soit utilisée dans cette même cellule

soit exportée hors de la cellule par exocytose