LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE ET L'EVOLUTION DU VIVANT (GENETIQUE)

CHAPITRE 13 : L'expression du patrimoine génétique

Les acides aminés sont des éléments essentiels de l'alimentation car ce sont les composants des protéines. La digestion aboutit à la libération, par hydrolyse, de tous les acides aminés présents dans les protéines ingérées. Ils sont alors absorbés au niveau intestinal et utilisé par les cellules humaines pour constituer leurs propres protéines. Les enzymes présentes dans les cellules et les conversions possibles font que huit acides aminés seulement sur les 20 sont absolument indispensables. Les douze autres peuvent être synthétisés à partir de ces 8 acides aminés essentiels. Ex. d'acides aminés essentiels : méthionine, phénylalanine. Ex. D'acides aminés non essentiels : alanine, arginine. Viandes, œufs, poissons, céréales nous apportent beaucoup de protéines et donc d'acides aminés.

Pb : Comment se déroule la synthèse des protéines ? Quel est le rôle exact de l'ADN dans cette synthèse ?

I- La relation gène-protéine

1- Structure des protéines

La structure primaire est la séquence des acides aminés. Les structures secondaires sont les motifs que forment les acides aminés. On reconnaît principalement les structures en hélice Alpha et en feuillet Bêta. La structure tertiaire se rapporte aux relations dans l'espace des différentes structures secondaires, hélices et feuillets. Les protéines qui contiennent plus d'une chaîne polypeptidique présentent un niveau supplémentaire d'organisation : on parle de structure quaternaire.

Formule de 2 acides aminés

Sérine (Ser)
Histidine (His)

Formation d'un dipeptide

Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine lorsque la chaîne contient plus de 50 acides aminés, pour des tailles plus petites, on parle de peptide et de polypeptide.

Pb : comment une séquence de nucléotide peut-elle commander un enchainement d'acides aminés dans un ordre précis ?

2- La découverte de l'ARN messager et du code génétique

TP 14 : la relation gène / protéine

Manuel p56

En 1961, les chercheurs français Jacob, Monod et Lwoff découvrent que les gènes sont à l'origine d'un nouveau type d'acide nucléique, un ARN, qu'ils baptisent ARN messager. Cette découverte leur valut le prix Nobel en 1965. Les expériences ci-après révèlent une propriété de cet ARN qui justifie cette appellation de messager.

Les travaux de Nirenberg et Matthaei (1961) qui valurent à leurs auteurs quelques années plus tard le prix Nobel de Médecine, débutent après la découverte d'une enzyme capable de polymériser, in vitro, des ribonucléotides pour former une chaîne ayant les propriétés de l'ARNm.
Ces auteurs ajoutent à un milieu contenant des précurseurs (les 20 acides aminés), un ARN de synthèse ne contenant que des nucléotides à Uracile (U). Ce polymère "poly 'U' " déclenche la synthèse d'un polypeptide monotone ( poly 'Phe' ) constitué uniquement d'acides aminés "phénylalanine". Avec le même type d'expérience, d'autres polypeptides "monotones" sont obtenus avec d'autres ARN de synthèse :

ARN de synthèse

 Polypeptide obtenu
Poly A poly 'lys' : polymère de la lysine
Poly C poly 'pro' : polymère de la proline

En essayant des combinaisons de divers triplets de ribonucléotides, de nombreux laboratoires ont, en l'espace de 2 ans, décrypté toutes les combinaisons du code génétique.

Source : http://www.incertae-sedis.fr/gl/docu1090_567_experience_nirenberg.htm

Extrait du manuel de SVT 1èreS Bordas 2007 p49

1961 : Jacob et Monod mettent un terme à l'énigme du passage de l'ADN à la protéine : l'ADN est d'abord transcrit dans le noyau en une copie appelée ARN messager qui est transférée dans le cytoplasme pour y être traduite en séquences d'acides aminés.

1966 : Grâce aux travaux de Nirenberg et Matthaei, le code génétique est entièrement déchiffré. Il est universel, non ambigu et redondant.

3- La fin du concept un gène / une protéine

 

En 1977, l'équipe française dirigée par Chambon fait un constat surprenant : chez les Eucaryotes contrairement aux bactéries, l'ARN messager cytoplasmique est beaucoup plus court que l'ADN du gène correspondant.

Exercice 9 p69

Chez les Eucaryotes, les gènes sont morcelés en une succession d'introns et d'exons. Ces portions sont toutes transcrites en ARN prémessager mais par la suite, seuls les exons sont conservés au cours d'un processus d'excision-épissage pour former un ARN mature, l'ARN messager.

Lorsque tous les exons ne sont pas retenus pour former l'ARN mature, on parle d'épissage alternatif. Ainsi, à partir d'un même gène il est possible d'obtenir des ARN messagers différents et donc des protéines différentes!

L’épissage alternatif est probablement un des moteurs important de l’évolution des espèces.

Remarque : l’épissage est assuré dans le noyau par un ensemble de complexes ribonucléoprotéiques appelé collectivement splicéosome (épissage = splicing en anglais). On estime que 70 % des 30 000 gènes qui composent le génome humain subissent un épissage alternatif.

II- La traduction de l'ARN messager en protéine

1- Les ribosomes : "ateliers" du cytoplasme

Activité : analyse de documents

Document extrait du manuel Bordas 2001 p48

2- Déroulement de la traduction

Lien vers traduction.exe

L'assemblage des acides aminés se déroule dans le cytoplasme grâce à de petites organites : les ribosomes. Ces petits "ateliers d'assemblage" sont eux même constitués par de l'ARNr (ARN ribosomal) et formés par deux sous unités (une grande et une petite). Le mécanisme de la synthèse comporte trois étapes :

- L'initiation = fixation d'un ribosome sur un triplet de l'ARNm : le codon initiateur AUG.

- L'élongation = Déplacement du ribosome sur l'ARNm après chaque incorporation d'un nouvel acide aminé transporté par un petit ARNt (ARN de transfert).

- La terminaison = dissociation du complexe ribosome-ARNm lorsque le ribosome arrive au niveau d'un codon stop : UAA, UAG ou UGA.

Remarque : la durée de vie de l'ARN est très courte (quelques minutes)

IMPORTANT : la notion d'ARN de transfert est hors-programme et c'est un choix délibéré d'en faire état dans ce cours dans l'espoir de vous faire comprendre comment l'ARNm peut "dicter" la séquence d'acides aminés d'une protéine donnée. Il est évident qu'il ne s'agit donc pas d'une connaissance exigible en contrôle et le schéma bilan simplifié extrait du manuel suffit amplement (voir ci-dessous).

Bilan

Extrait du manuel de 1èreS Belin 2012 p63

Pour aller plus loin : http://www.johnkyrk.com/er.fr.swf (Lien vers une animation très détaillée mais plus compliquée : des notions sont hors programme...)