Pendant très longtemps, on a considéré que les protéines jouaient un rôle dans l'hérédité. Même si aujourd'hui, on sait que ce n'est pas vrai, nous allons voir qu'il y a une relation étroite entre ADN et protéine.
Qu'est-ce qu'une protéine ?
Une protéine est une macromolécule (grosse molécule) constituée d'une chaîne parfois très longue de molécules plus petites appelées acides aminés (ou amino-acides). Une protéine courte porte le nom de peptide et plus longue de polypeptide.
Il existe 20 acides aminés naturels qui ne se différencient que par un radical (R) qui est un groupement chimique particulier. Outre ce radical, chaque acide aminé possède un groupement amine (NH2) et un groupement carboxyle (COOH) qui lui donne son caractère acide.
Formule générale d'un acide aminé
Liste des acides aminés et nomenclature française et anglo-saxonne
Quelques acides aminés et leurs radicaux variables
Deux acides aminés se lient par une liaison peptidique qui élimine une molécule d'eau
Schéma d'une liaison peptidique
Protéines et ADN
L'ADN et les protéines sont toutes les deux des molécules séquencées, c'est à dire que l'organisation des différents composants (nucléotides ou acides aminés) n'est pas le fruit du hasard. On dit qu'il y a colinéarité.
Colinéarité d'une portion de gène codant pour la ß-globine et de la molécule de ß-globine
De nombreuses expériences entre les années 1950 et 1960 démontrèrent qu'il existait une relation étroite entre un gène et une protéine. Cependant une question se posait : les protéines sont élaborées à partir des acides aminés dans le cytoplasme alors que l'ADN reste dans le noyau. Il fallut donc imaginer l'existence d'un intermédiaire entre l'ADN nucléaire et les protéines cytoplasmiques.
Coloration du noyau d'une cellule d'épiderme d'oignon au vert de méthyle, colorant spécifique de l'ADN
En 1951, le biologiste belge Jean Brachet avait mis en évidence par autoradiographie (utilisation de précurseurs radioactifs), l'existence d'une molécule transitoire appelée ARN (acide ribonucléique) qui était élaborée dans le noyau mais avait la capacité de se répandre dans le cytoplasme. Cette molécule était donc le candidat idéal pouvant assurer la relation gène-protéine.
L'expérience de Brachet
Ce sont trois français, Jacques Monod, François Jacob et André Lwoff qui postulèrent puis démontrèrent l'existence de la molécule d'ARN messager (ARNm), assurant la liaison entre l'ADN et le lieu de synthèse des protéines dans le cytoplasme. Ce lieu de synthèse sont les ribosomes, petits organites situés dans le reticulum endoplasmique.
Schéma de l'action de l'ARNm
Les différences principales entre ARNm et ADN
— l'ADN a une durée de vie très longue (plusieurs dizaines d'années) alors que l'ARNm a une durée de vie courte (quelques minutes).
— l'ADN reste dans les chromosomes à l'intérieur du noyau alors que l'ARNm est synthétisé dans le noyau mais peut aller dans le cytoplasme.
— la molécule d'ADN est bicaténaire (2 chaînes) alors que la molécule d'ARNm est monocaténaire (1 chaîne)
— la molécule d'ADN est beaucoup plus longue que la molécule d'ARNm.
— dans l'ADN, le sucre est un désoxyribose alors que dans l'ARNm, le sucre est un ribose.
— dans la molécule d'ARNm, l'uracile (U) remplace la thymine (T).
Comparaison entre une molécule d'ADN et une molécule d'ARNm
La transcription de l'ADN en ARNm
On appelle transcription, l'étape de la biosynthèse des protéines qui permet l'élaboration de la molécule d'ARNm à partir de la molécule d'ADN. Un seul des deux brins de la molécule d'ADN est utile à cette transcription. Il est appelé "brin transcrit". L'autre brin dit "non transcrit" est utile, cependant, à la réplication de l'ADN. La transcription est catalysée par une enzyme appelée ARN-polymérase.
Schéma du mécanisme de transcription
L'élaboration de la protéine à partir des acides aminés ou traduction
Entre 1961 et 1963, de nombreuses expériences ont permis d'élucider le mécanisme qui permettait à la cellule de traduire l'information transportée par l'ARNm en fabrication d'une protéine à partir des acides aminés préexistants.
On appelle donc traduction, la seconde étape de la biosynthèse des protéines. Afin de coder la mise en place de 20 acides aminés différents, il faut un message de l'ARNm qui donne 20 informations différentes. Or l'ARNm n'est constitué que de 4 informations différentes, les nucléotides. La solution ne peut venir que d'un code contenant 3 nucléotides sur les 4. Dans ce cas, il y a 64 combinaisons possibles (4 x 4 x 4). Chacun des triplets de l'ARNm (et seulement de l'ARNm, pas de l'ADN) est appelé un codon. A partir de ces 64 codons, on obtient un tableau de correspondance appelé code génétique.
Le code génétique
Caractéristiques du code génétique
— le code génétique est universel. Il est le même pour une bactérie, un crocodile, un platane ou un ministre. Cette constatation conforte l'idée que tous les êtres vivants ont une origine unique.
— plusieurs codons codent pour la mise en place du même acide aminé. Le code est donc imprécis. On dit qu'il est dégénéré ou redondant (il dit plusieurs fois la même chose).
— trois codons, dit "codons stop" ne codent pas pour la mise en place d'un acide aminé mais pour indiquer la fin de la traduction.
— le début de la traduction est donnée par le codon AUG dit "codon d'initiation" qui code pour la méthionine. Cela signifie que tout protéine complète commence part une méthionine.
Le mécanisme de la traduction
L'accrochage des différents acides aminés les uns aux autres par liaisons peptidiques se fait au niveau des ribosomes dans le cytoplasme. L'ordre d'accrochage est donné par l'ARNm. Les ribosomes se déplacent le long des molécules d'ARNm.
La première étape est l'initiation qui se manifeste par la mise en place du premier acide aminé qui est toujours la méthionine (codon AUG). Puis les autres acides aminés se lient les uns aux autres en fonction du code donné par l'ARNm. Cette étape, appelée élongation, se fait pas déplacement du ribosome le long de l'ARNm. La troisième étape ou terminaison a lieu lorsqu'un codon STOP apparait sur l'ARNm.
Les trois étapes de la traduction
Quelques exercices sur la biosynthèse des protéines
Etude d'une maladie génétique, le Xeroderma pigmentosum
ADN codant et non-codant
Au début des années 1980, des scientifiques remarquent que l'ARNm est beaucoup plus court que le brin transcrit d'ADN.
Electronographie d'un brin d'ADN et d'un brin d'ARNm
Très rapidement, on constate que la majorité de l'ADN ne code pas pour des protéines. S'il est appelé parfois "junk DNA", on préfère le terme d'ADN non-codant car il n'est pas inutile puisqu'il contient des séquences régulatrices. L'ADN non-codant représente environ 95 % d'une molécule d'ADN.
Parmi cet ADN non-codant, une partie se situe dans les gènes. Un gène est constitué d'exons (ADN codant) et d'introns (ADN non-codant). On dit que le gène est morcelé.
La transcription s'effectue donc ainsi : dans un premier temps, l'ARN est fabriqué à partir du brin d'ADN transcrit complet (zones codantes et non-codantes). On obtient un pré-ARNm. Dans un second temps, il y a maturation du pré-ARNm par excision. Les parties non-codantes du pré-ARNm sont éliminées (dont les introns) et ne sont conservées que les parties codantes. On parle d'épissage.
Mise en évidence de l'épissage avec Anagène en ligne
Schéma du mécanisme d'épissage
L'épissage alternatif
Selon des estimations, le nombre de gènes présents dans le génome humain est de l'ordre de 22 000. On estime que ces gènes fabtiquent entre 100 000 et 1 000 000 de formes protéiques différentes. L'idée qu'un gène fabrique une protéine est donc fausse. Un gène fabrique plusieurs protéines différentes grâce au mécanisme d'épissage alternatif dont le séquençage du génome humain a démontré qu'il était un phénomène très important contrairement aux idées anciennes.
Mise en évidence de l'épissage alternatif sur le gène de l'hormone de croissance avec Anagène en ligne
Schéma de l'épissage alternatif
Schéma bilan de la biosynthèse des protéines
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