INTRODUCTION
Les enzymes, et toutes les protéines en général (1), déterminent les caractéristiques d’une cellule ou d’un organisme, c’est-à-dire son phénotype. Cela signifie que deux individus, ou deux cellules différentes ont obligatoirement des protéines différentes (c’est-à-dire des protéines dont l’ordre des acides aminés est différent)
–> Comment sont fabriquées les protéines ?
–> Comment expliquer qu’elles soient différentes entre différentes espèces, différents individus ou différentes cellules ?
Hypothèse : Puisque les caractéristiques d’une cellule viennent de son ADN, peut-être que les protéines sont synthétisées à partir d’ADN ?
I- Du gène à la protéine
A- La théorie centrale de la génétique : un gène à une protéine à un caractère
La séquence des acides aminés d’une protéine est due au gène qui code cette protéine. Chaque gène est formé d’une séquence de nucléotides, qui permet l’assemblage d’acides aminés avec une séquence particulière et donc la formation d’une protéine particulière.
Ainsi le génotype (ADN) est à l’origine du phénotype moléculaire (protéine), lui-même à l’origine du phénotype cellulaire (caractères)
Cette relation Gène-protéine-caractère a été démontrée par l’expérience de George Beadle et Edward Tatum.
Par exemple dans le cas de la drépanocytose : Sur le gène codant pour la protéine de Globine, si le 20° nucléotide est une Thymine au lieu d’une adénine, ceci entraine la formation d’une globine S au lieu d’une globine α. La protéine d’hémoglobine est alors modifiée : son 7° acide aminé (acide glutamique) devient une valine ce qui entraine la liaison des HbS entre elles, ce qui forme des chaines qui déforment les hématies. Les hématies ne peuvent alors plus circuler dans les vaisseaux sanguins, créant des obstructions. Les chaines d’HbS percent aussi les hématies, entrainant leur mort prématurée et donc une anémie.
B- La nécessité d’un intermédiaire
L’ADN, support de l’information génétique, est localisé dans le noyau et n’en sort jamais. La synthèse des protéines se fait quant à elle uniquement dans le cytoplasme. Il existe donc un intermédiaire entre l’ADN et les protéines : c’est l’ARN messager (ARNm). Il est fabriqué dans le noyau puis en sort pour gagner le cytoplasme. Il comporte toutes les informations nécessaires à la synthèse des protéines.
–> Quels sont les mécanismes permettant la synthèse des protéines ?
II- La transcription : de l’ADN aux ARNs.
La transcription d’un gène correspond à la synthèse d’une molécule d’ARN à partir d’un gène de l’ADN.
Elle se fait dans le noyau, grâce à l’intervention d’une enzyme, l’ARN polymérase. Cette enzyme « lit » un des brins de l’ADN (appelé brin transcrit) et forme une molécule d’ARN en associant les nucléotides complémentaires à ceux du brin transcrit.
La séquence de l’ARN est complémentaire de celle d’un gène du brin transcrit, et sera donc identique à celle du brin codant, mis à part que les nucléotides T sont remplacés par des nucléotides U. On obtient ainsi un ARN pré-messager.
Ce dernier va subir une maturation (= des modifications) appelée épissage : les introns (parties non codantes) sont éliminés, et les exons, qui portent l’information génétique, se relient entre eux.
L’ARNm mature ainsi obtenu ne portera donc plus que les informations nécessaires à la synthèse des protéines. Cet ARN passe ensuite dans le cytoplasme.
Schéma des étapes de la transcription
–> Comment l’ARNm permet-il de former des protéines ?
III- La traduction : de l’ARN aux protéines.
La formation de la protéine à partir de l’information portée par l’ARNm est réalisée par un mécanisme appelé la traduction
Comme le message porté par l’ARN est porté par une séquence de nucléotide et que les protéines sont une séquence d’acides aminés, il est nécessaire d’avoir un système de décryptage, un code, qui permettent de passer de l’ARN aux protéines.
A- Le code génétique
Le code génétique est l’ensemble des règles de correspondance entre la séquence de nucléotides d’un ARN et la séquence d’acides aminés d’une protéine : il permet de décoder l’information génétique contenu dans l’ARNm.
Dans le code génétique, chaque acide aminé est codé par un ensemble de 3 nucléotides (un codon)
Le code génétique est :
- Universel: il est partagé par tous les êtres vivants (à quelques exceptions près).
- Non ambigu: Un triplet de nucléotide ne peut coder qu’un seul acide aminé.
- Redondant (=dégénéré) : Un acide aminé peut être codé par plusieurs triplets de nucléotides.
Certains triplets jouent un rôle particulier : c’est le cas du codon AUG (codon initiateur) et des codons UAA, UGA et UAG (codons stop).
B- Mécanismes de la traduction
Une fois formé, l’ARN messager sors du noyau et passe dans le cytoplasme.
Il est pris en charge par les ribosomes : Ce sont des structures capables de lire la séquence de nucléotides de l’ARNm et d’associer à chaque triplet de nucléotide le bon acide aminé. Ils assemblent alors les acides aminés
Les ribosomes se fixent sur un codon AUG, et assemblent les acides aminés en suivant le code génétique jusqu’à tomber sur un codon stop. Ils libèrent alors la protéine formée.
Mécanismes de la traduction
image issue du site : http://beaussier.mayans.free.fr/
Conclusion :
Ainsi, un gène (donc une séquence d’ADN) permet par transcription de former un (ou plusieurs) ARNm, qui lui-même, par traduction permettra de former une protéine. Cette protéine définira un caractère : Le phénotype est donc du à l’expression du génotype.
Schéma de l’expression de l’Information génétique
Cependant, toutes les cellules d’un organisme possèdent le même ADN (donc le même génotype), pourtant, elles ne possèdent pas toutes les mêmes protéines et n’ont donc pas toutes le même phénotype (ce qui permet leurs spécialisation).
–> Comment expliquer que les cellules ayant un ADN commun n’aient pas les mêmes protéines ?
IV- Contrôle de l’expression de l’IG
Le phénotype dépend du génotype, mais également de son expression.
En effet, les cellules spécialisées n’expriment qu’une partie de leurs gènes et ne fabriquent donc qu’une petite proportion de l’ensemble protéines possibles. Cela implique que l’expression des gènes est contrôlée.
L’expression de l’information génétique dans une cellule dépends en effet de plusieurs paramètres :
- Du tissu auquel appartient la cellule: les cellules sont « programmées » dans une voie de différenciation et expriment des gènes particuliers en fonction du tissu auquel elles doivent appartenir. (par exemple des cellules sanguines expriment des gènes différents des cellules de l’intestin)
- Du stade de développement (par exemple les cellules de l’intestin produisent de la lactase pendant l’enfance et moins à l’âge adulte)
- De facteurs environnementaux. (température, molécules chimiques en présence, alimentation … …) (par exemple, la nutrition à base de gelée royale permet à la reine des abeille d’être fertile, alors que les ouvrières qui ont le même génotype sont stériles. Cela est dû au fait que la gelée royale inhibe l’expression de certains gènes)
Questions-Réponses pour réviser ce chapitre
(1) Il existe plusieurs catégories de protéines selon leur fonction :
- Les protéines de structure (qui donnent la forme des cellules par exemple)
- Les protéines permettant les réactions chimiques : les enzymes
- Les protéines exerçant une autre fonction (défense de l’organisme, transport de molécule …)
Toutes ces protéines participent à déterminer les caractéristiques (le phénotype) d’un organisme ou d’une cellule.