L’expression du patrimoine génétique

Intrigue :

Comment sont fabriquées les protéines (comme par exemple la lactase) ?

1. La relation ADN-protéines :

Rappel : 

Un gène est un fragment d’ADN participant à l’expression d’un caractère héréditaire. L’ADN est une double hélice constituée de 2 chaînes nucléotidiques complémentaires au niveau de leurs bases azotées (C-G et A-T). 

Les gènes formant le génotype (ensemble des allèles d’un individu) codent les protéines déterminant le phénotype (ensemble des caractéristiques d’un individu résultant de l’expression de ses gènes).

Doc 1 p 88 bordas

Les protéines sont des macromolécules à la base de la structure et du fonctionnement des cellules. Certaines protéines sont communes à toutes les cellules (ex : histones) et d’autres dépendent de leur spécialisation (ex : enzymes). 

L’ADN est une double hélice constituée de 2 chaînes nucléotidiques complémentaires au niveau de leurs bases azotées (C-G et A-T). L’ADN porte l’information nécessaire à la synthèse des protéines.

Une protéine est constituée par un ou plusieurs polypeptides. Chaque polypeptide est une chaine d’acides aminés, petites molécules liées entre elles par des liaisons peptidiques.

Il existe 20 acides aminés qui différent par leur radical R, chacun possédant des propriétés chimiques particulières (acide, basique…).

Schéma d’une protéine

Formule d’un acide aminé

Doc 2 p 89 bordas 

L’expérience de Beadle et Tatum démontre qu’un gène est le « plan de fabrication » d’une protéine, c’est-à-dire qu’il détient l’information nécessaire à sa synthèse. Plus généralement d’autres expériences ont prouvé qu’un gène détermine la synthèse d’une protéine :  on dit qu’un gène code une protéine. La séquence en acides aminés d’une protéine dépend de la séquence nucléotidique du gène qui la code.

Relation gènes-protéines

Transition : Chez les eucaryotes, l’ADN est toujours localisé dans le noyau et n’en sort pas, or la synthèse des protéines se réalise dans le cytoplasme. Un intermédiaire entre ADN et protéines est donc nécessaire.

1. Transcription : l’ARNm a un rôle de messager :

1. La nécessité d’un intermédiaire :

Doc 1 p 91 Bordas

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 : l’ARNm. 

Doc 2 p 91 Bordas

L’ARNm est une catégorie d’ARN (Acide RiboNucléique) qui permet d’assurer le transfert de l’information génétique. Il contient une copie de l’information portée par la molécule d’ADN. C’est une molécule bien plus courte que l’ADN.

Dans l’ARN, il n’y a pas de Thymine (T) mais de l’Uracile (U). La molécule est formée par une succession de nucléotides de quatre types différents (A -U, C-G). L’ARN n’est constitué que d’une seule chaîne de nucléotides.

Modélisation 3D de l’ADN et de l’ARN

1. La transcription de l’ADN en ARN :

Doc 1 p 72 Hachette

Doc 3 p 91 Bordas + animation

Chez les eucaryotes, la transcription est la fabrication, dans le noyau, d’une molécule d’ARN pré-messager, complémentaire du brin codant (brin transcrit) de l’ADN (double brin). 

Elle se fait grâce à l’intervention d’une enzyme : ARN polymérase. Au fur et à mesure de sa progression le long de l’ADN, l’ARN-polymérase incorpore les nucléotides libres présents dans le noyau, par complémentarité avec un des brins de l’ADN : G se place en face de C, C en face de G, A en face de T et U en face de A.

Le brin d’ARN ainsi produit est complémentaire du brin d’ADN qui a servi de matrice : brin transcrit. Donc le message de l’ARN est identique à celui du brin non transcrit d’ADN (à la différence du nucléotide U qui, sur l’Arn, occupe la place du nucléotide T de l’ADN).

La transcription permet la formation d’une molécule d’ARN qui est la copie conforme du gène : ARN pré-messager. 

Arrivé à la fin du gène (signal de terminaison), la transcription s’arrête, les différents éléments se séparent et la molécule d’ADN se referme. Avant de sortir du noyau, l’ARN peut subir une maturation. Dans ce cas, l’ARN formé est un ARN pré-messager qui sera transformé en ARN messager. 

Mécanismes moléculaires de la transcription

Transition : L’ARNm synthétisé dans le noyau, gagne ensuite 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.   

1. Traduction : de l’ARNm à la protéine :
2. 
   

1. La nécessité d’un code génétique :

Pour passer de l’ARN à une protéine formée d’aa, il est nécessaire d’avoir une correspondance, un code, une traduction.

Nous savons qu’il existe 20 aa. Or, à partir de 4 nucléotides (ATGC) :

• Si 1 nt = 1 aa, alors on forme 4 aa, pas possible
• Si 2 nts = 1 aa, alors on forme 42 = 16 aa, pas possible
• Si 3 nts = 1 aa, alors on forme 43 = 64 aa. 3 nucléotides s’appellent codon ou triplet

Doc 1 p 92 bordas

Le code génétique est le système de correspondance mis en jeu lors de la traduction (processus de synthèse d’une protéine à partir de l’information contenue dans un ARNm) de cette information. 

Il établit la correspondance entre un triplet de nucléotides (trois nucléotides successifs ou codon) de la molécule d’ARNm et un acide aminé. 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 43= 64 associations différentes, c’est à dire 64 codons différents possibles au niveau de l’ARNm.

Il y a 61 codons significatifs (codant pour des aa) et 3 codons non-sens (codons stop).

Cette correspondance est appelée code génétique. Il est :

• redondant : cela signifie que la plupart des aa sont codés par plusieurs codons différents (ex : aa Sérine 🡪 codons : UCU, UCC, UCA et UCG).
• univoque : un codon spécifie un seul aa.
• ponctué : La traduction débute par le codon AUG (codon d’initiation) codant la Méthionine et se termine par l’un des trois codons stop UAG, UAA ou UGA.
• universel : À quelques exceptions près, il est commun à tous les êtres vivants. Cette universalité est un argument en faveur d’une origine commune à tous les êtres vivants.

Le code génétique

1. Acteurs et mécanisme de la traduction :

Docs 1 et 2 p 74 Hachette

Dans le cytoplasme, l’ARNm est pris en charge par des ribosomes qui lisent sa séquence et permettent la synthèse de la protéine.

L’ARNm est le plan de formation nécessaire à l’incorporation à la bonne place des acides aminées. Dans le cytoplasme l'ARNm est associé à de nombreuses molécules appelées des ribosomes. Ils sont formés d’une petite sous-unité capable de reconnaître et de se fixer sur une molécule d’ARNm, et d’une grosse sous-unité associée à la petite sous-unité et qui réalise l’assemblage des acides aminés. Ils sont capables de se déplacer le long de l’ARNm. Un ribosome est capable d’accueillir deux acides aminés afin de réaliser la liaison peptidique.

Doc 2 p 93 Bordas animation traduction

La synthèse d’une protéine se déroule en trois étapes : 

• L’initiation :
• caractérisée par la mise en place d’un ribosome au niveau du premier codon de l’ARNm (AUG) désignant la Méthionine. C’est le codon initiateur.
• 
  
• L’élongation : le ribosome se déplace sur l’ARNm et permet l’incorporation d’un nouvel aa accroché au précédent par une liaison peptidique.
• 
  
• La terminaison : provoquée par l’arrivée du ribosome au niveau du codon stop (UAA, UAG ou UGA) de l’ARNm ce qui déclenche la libération de la protéine par la dissociation du ribosome.

Chaque molécule d’ARNm sert de matrice pour la synthèse de plusieurs polypeptides identiques puis est détruite. Cette synthèse simultanée par plusieurs ribosomes d’un ARNm forme un polysome observable en microscopie au niveau du cytoplasme de la cellule. 

Mécanisme de la traduction

Transition : Un même ARN pré-messager peut subir, suivant le contexte, des maturations différentes et donc être à l’origine de plusieurs protéines différentes…

1. La régulation de l’expression des gènes :

1. Epissage : 

Doc 2 p 94 bordas

Chez les eucaryotes, la longueur totale d’un gène est cinq fois plus importante que celle de l’ARN exporté dans le cytoplasme. Dans le noyau, il y a donc une maturation de l’ARN.

Lors de la transcription de l’ADN, il y a la formation d’un ARN pré-messager constitué d’une alternance de tronçons qui ne serviront pas à la synthèse d’une protéine, les introns (séquences non codantes) et de tronçons codant pour la protéine, les exons (séquences codantes).

Dans un second temps, les introns sont supprimés, c’est l’excision et les exons sont raccordés entre eux, c’est l’épissage qui conduit à la formation d’un ARN messager mature (5 fois plus petit) qui migre vers le cytoplasme.

Doc 2 p 76 Hachette 

Doc 3C p 95 bordas

On observe également que le nombre de gènes est inférieur à celui des protéines formées par les cellules : le génome humain compte environ 25000 gènes alors que le protéome (ensemble des protéines fabriquées par les cellules) est constitué de plusieurs millions de protéines différentes ! 

Ceci s’explique par l’existence d’un épissage alternatif. Parfois, lors de la maturation de l’ADN, certains exons sont également supprimés. 

Ainsi, selon les modalités de l’épissage alternatif, un ARN pré-messager peut alors former des ARNm différents et donc des protéines différentes à partir du même gène.

Les deux types d’épissage

1. Régulation :

L’activité des gènes de la cellule est régulée, c’est-à-dire que l’expression d’un gène peut être activée ou réprimée, sous l’influence de facteurs internes (notamment au cours du développement) ou externes (en réponse aux conditions environnementales). 

En effet, des molécules appelées facteurs de transcription, peuvent se fixer sur une séquence d’ADN régulatrice, non codante, et ainsi activer ou réprimer l’expression d’un gène.

Transition : Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule.

1. Rôles du génotype et de l’environnement dans le phénotype :

Rappels :

Génotype = ensemble des gènes (allèles) d’un individu.

Phénotype = ensemble des caractères observables chez un individu, résultant de l’expression du génotype. Il se définit à différentes échelles : de l’organisme (macroscopique), de la cellule ou de la molécule. 

Les différents niveaux de phénotype sont liés entre eux. Puisque les molécules (protéines) interviennent dans les structures et les activités des cellules, le phénotype moléculaire conditionne le phénotype cellulaire. Etant donné que les organismes sont constitués de cellules fonctionnant ensemble, le phénotype cellulaire induit le phénotype macroscopique. 

Doc p 96 et 97 bordas

Le phénotype d’un individu souffrant de drépanocytose (maladie génétique) se définit à différentes échelles :

Echelle macroscopique (organisme)

Anémie modérée mais chronique, fatigue, tendance à l’essoufflement

Echelle cellulaire (visible par observation au microscope)

le nombre d’hématie est faible (d’où l’anémie) et les cellules sont souvent déformées (en faucille) et moins souples

Echelle moléculaire

le 6ème aa de la β-globine, constitutive de l’hémoglobine qui fixe et transporte le dioxygène dans l’organisme, est une Valine (Val) au lieu d’un acide glutamique (Glu)

Les différentes échelles du phénotype sont emboîtées. Ainsi la présence de la Valine dans l’Hb d’un individu souffrant de drépancytose entraîne sa polymérisation sous forme de fibres rigides. Celles-ci confèrent une forme de faucille aux hématies qui, ne pouvant plus circuler normalement dans les petits vaisseaux, sont à l’origine des symptômes de la maladie à l’échelle de l’organisme.

Le phénotype d’un malade dépend de son génotype (une mutation est à l’origine de la modification de la β-globine), mais aussi de son environnement (certaines situations favorisent la survenue de crises).

Correction TP 7 et TP 8

Doc « Les idées principales du cours… »