LA SYNTHESE DES PROTEINES
Introduction
Les protéines jouent un rôle biologique très important. Elles occupent des fonctions structurales, enzymatiques et de transport de substances. On appelle synthèse des protéines, le processus par lequel une cellule fabrique des protéines à partir de l’ADN.
I. LOCALISATION DES ACIDES NUCLÉIQUES
Les acides nucléiques sont l’ADN (acide désoxyribonucléique) et l’ARN (acide ribonucléique).
Expérience de Brachet
Brachet colore des cellules avec du vert de méthyle et de la pyronine, puis il les traite avec des enzymes : l’ADNase qui détruit l’ADN et l’ARNase qui détruit l’ARN.
Résultats
Interprétation
– L’ADN se trouve dans le noyau.
– L’ARN se trouve dans le nucléole et le cytoplasme.
II. STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES
II-1. Constituants des acides nucléiques
L’hydrolyse totale de l’ADN et de l’ARN donne les éléments du tableau ci-dessous :
Remarque :
– L’ensemble constitué par un sucre, une base azotée et un acide phosphorique forme un nucléotide, qui est l’unité de base des acides nucléiques.
– A : Adénine ; T : thymine ; C : Cytosine ; G : Guanine ; U : Uracile.
II-2. Structure de l’ADN
La structure en double hélices de l’ADN a été décrite par Watson et Crick en 1953. Cette double hélices est constituée de deux brins antiparallèles, c’est-à-dire ces brins sont parallèle en plus un brin est orienté dans le sens 5’-3’ et l’autre 3’-5’.
Déplié, l’ADN se présente comme une échelle dont les deux montants sont constitués de désoxyriboses et d’acides phosphoriques. Les barreaux sont constitués de bases azotées des deux brins qui sont reliés par des liaisons hydrogènes.
Chargafe trouve que dans une molécule d’ADN, la quantité de Thymine est égale à celle d’Adénine et la quantité de Cytosine est égale à celle de Guanine. Il a tiré cette conclusion à partir de relation suivante :
A/T = C/G =1
Donc l’adénine est reliée à la thymine (par deux liaisons hydrogènes) et la cytosine à la guanine (par trois liaisons hydrogènes).
II-3. Structure l’ARN
L’ARN est constitué d’un seul brin plus petit que l’ADN. Il existe trois types d’ARN :
– L’ARN de transfert (ARNt) replié sur lui-même et en forme de feuille de trèfle, présente deux sites essentiels : le site de fixation de l’acide aminé et le site de reconnaissance appelé anticodon.
– L’ARN ribosomal (ARNr) constitué de protéines et d’ARN, présente une grande sous-unité et une petite sous-unité séparables.
– ARN messager (ARNm) qui est filiforme.
III. RÉPLICATION DE L’ADN
Pendant la vie cellulaire la quantité d’ADN se dédouble avant chaque division cellulaire, c’est la réplication. Pendant la réplication la molécule d’ADN s’ouvre par rupture des liaisons hydrogènes. Sur chaque base libérée se fixe une base libre qui lui est complémentaire et ceci grâce à l’ADN polymérase (enzyme). A la fin, il se forme un nouveau brin complémentaire au brin initial. Donc on obtient deux molécules filles d’ADN identiques entre elles et à l’ADN mère, ayant chacune un brin de l’ADN mère et un brin nouvellement synthétisé, c’est la semi-conservation.
IV. SYNTHÈSE DES PROTÉINES
IV-1. Existe-t-il une relation entre l’ADN et la protéine ?
La phénylcétonurie est une maladie héréditaire qui se traduit par des retards dans le développement du cerveau et un retard mental important irréversible. Elle est due à l’effet toxique d’un acide aminé, la phénylalanine, qui se trouve à des concentrations sanguines supérieure à la normale.
Le document ci-dessous montre des fragments d’ADN et de protéines de deux individus, l’un sain et l’autre malade.
Analyse
La comparaison entre les deux fragments de protéine montre que le 3ème acide aminé, change chez le malade. Au niveau du fragment d’ADN nous constatons que le triplet GAG de l’individu sain est remplacé par le triplet AAG chez l’individu malade.
Interprétation
Le changement noté au niveau de la protéine est lié au changement observé au niveau de l’ADN. Donc la synthèse des protéines est faite à partir de l’ADN.
VI-2. Comment passe-t-on de l’ADN aux protéines ?
Expérience
Mettons à incuber différents types de cellules dans un milieu riche en acides aminés radioactifs :
– Des érythroblastes de lapin, synthétisant de l’hémoglobine.
– Des œufs de xénope (amphibien).
– Des œufs de xénope injectés de l’ARNm extrait d’érythroblastes de lapin.
Les protéines synthétisées par ces cellules sont ensuite séparées par une technique qui permet de connaître leur concentration.
Résultat
Analyse
Les érythroblastes de lapin sont capables de synthétiser une protéine, l’hémoglobine, alors que les œufs de xénope ne sont pas capables d’en synthétiser, mais synthétisent des protéines A et B. Cependant, des œufs de xénope injectés d’ARNm d’érythroblastes en phase de synthèse d’hémoglobine, se mettent à synthétiser en plus de leurs protéines de l’hémoglobine.
Interprétation
La présence de l’ARNm d’érythroblastes de lapin en phase de synthèse d’hémoglobine, a permis aux œufs de xénope de synthétiser de l’hémoglobine (protéine). Donc l’ARNm est nécessaire à la synthèse des protéines.
Conclusion
Pour synthétiser des protéines il faut de l’ADN et de l’ARN. L’ADN sera transcrit en ARN (ARNm en particulier), qui sera à son tour traduit suivant un code génétique, pour donner des protéines.
IV-3. Transcription
La transcription est la synthèse d’ARNm à partir d’ADN. Elle est réalisée grâce à l’ARN polymérase (enzyme). Cette enzyme ouvre la molécule d’ADN au niveau d’un point précis, le promoteur, progresse le long du brin d’ADN à transcrire et assure la liaison des nucléotides pour donner l’ARNm. Les deux brins d’ADN se referment au fur et à mesure que l’ARN polymérase avance. Arrivé au niveau à la fin de la transcription l’ARN polymérase se détache et l’ARNm est libéré.
L’ARNm ainsi obtenu migre du noyau vers le cytoplasme en passant par les pores nucléaires. Il est complémentaire au brin d’ADN transcrit et un seul brin d’ADN est transcrit.
VI-4. Code génétique
Le code génétique permet de connaître la correspondance entre la séquence (succession des bases azotées) de l’ARNm et les 20 acides aminés. Les nucléotides de l’ARNm sont organisés en triplets, chaque triplet est un codon correspondant à un acide aminé, mais certains triplets n’ont pas d’acide aminé correspondant, ce sont des codons stop ou codons non-sens : UAA, UAG, UGA
Le code génétique est redondant, car plusieurs codons peuvent coder pour un même acide aminé. Cependant, deux acides aminés ne peuvent pas correspondre à un codon.
Le code génétique est universel, par ce qu’il est le même pour tous les êtres vivants.
VI-5. Traduction
La traduction se fait en trois phases : l’initiation, l’élongation et la terminaison.
VI-5-1. Initiation
La traduction débute toujours au niveau du codon initiateur AUG de l’ARNm. La petite sous-unité ribosomale se fixe sur l’ARNm, l’ARNt portant comme acide aminé la méthionine et dont l’anticodon UAC est complémentaire au codon initiateur AUG, vient s’y fixer. La grande sous-unité se fixe ensuite sur ce complexe et le premier ARNt occupe le site P. Le ribosome complet est prêt à fonctionner.
VI-5-2. Élongation
Un deuxième ARNt dont l’anticodon correspond au deuxième codon de l’ARNm vient occuper le site A. Il se forme une liaison peptidique entre le premier acide aminé et le second, également on note une rupture de liaison entre le premier acide aminé et son ARNt.
Le ribosome se déplace ensuite d’un codon libérant ainsi le site A au niveau du quel le troisième ARNt se fixera. C’est l’élongation de la molécule de protéine qui est entrain de se réaliser.
VI-5-3. Terminaison
Elle se produit quand le site A du ribosome arrive au niveau d’un codon stop (UAA, UAG, UGA) qui ne correspond à aucun acide aminé. A ce moment précis il se produit deux phénomènes :
– Les sous-unités du ribosome se détachent.
– La molécule de protéine est libérée et la méthionine est coupée.
VII. LES MUTATIONS
Toute modification de la succession de nucléotides d’un acide aminé est appelée mutation. Cette mutation peut être une substitution, une insertion ou une délétion.
VII-1. Substitution
Elle est un remplacement d’une base d’un brin d’ADN par une autre base. Elle peut entraîner :
– Un remplacement d’un codon sens correspondant à un acide aminé par un autre correspondant à un acide aminé différent. Donc la séquence des acides aminés change, c’est une mutation faux-sens.
– Un remplacement d’un codon sens par un autre sans provoquer de changement d’acide aminé, c’est une mutation silencieuse.
– Un remplacement d’un codon sens correspondant à un acide aminé par un codon stop, c’est une mutation non-sens.
VII-2. Insertion et délétion
L’insertion est une addition de nucléotides, alors que la délétion est une suppression de nucléotides.
Elles ont pour conséquences de changer la séquence des acides aminés ou l’apparition d’un codon stop.
CONCLUSION
On peut résumer la synthèse des protéines ainsi : l’ADN fait l’ARNm et l’ARNm fait la protéine dans le respect du code génétique.
