THEME 1 – AEXPRESSION, STABILITE ET VARIATION DU PATRIMOINE GENETIQUE

Le patrimoine génétique joue un rôle important dans le fonctionnement cellulaire.

Comment s’exprime-t-il au sein de la cellule ?

CHAPITRE 3EXPRESSION DU PATRIMOINE

GENETIQUE

L’information génétique est contenue et conservée dans le noyau et

commande des caractères qui sont observables extérieurement (groupe

sanguin, couleur des yeux, etc).

On recherche comment s'exprime l'information génétique.

I / LA RELATION GENE-PROTEINE

Expérience de Beadle et Tatum (1941)

Ils ont exposé à des rayons UV mutagènes, une souche de Neurospora capable de se

développer sur un milieu minimum.

Un milieu minimum est un milieu comportant les éléments chimiques

strictement nécessaires à la croissance d'un organisme.

Composition d'un milieu minimum : une source de

carbone et d'énergie, généralement le glucose,

du potassium et du phosphore, de l'azote et du soufre, du magnésium, du calcium, du fer, des oligo-

éléments et de l’eau.

Qu’observe-t-on après l’exposition de la souche sauvage aux rayons UV

mutagènes ?

La souche sauvage est devenue incapable de se développer sur un milieu

minimum.

L’arginine est un acide aminé que la souche sauvage sait synthétiser.

La synthèse de l’arginine s’effectue à partir d’un précurseur,(le N-acetylglutamate).Trois protéines enzymatiques interviennent successivement dans cette synthèse.

Interpréter ces résultats.

La souche A, incapable de se développer sur un milieu minimum,

se développe sur un milieu contenant de l’ornithine. Donc ……Donc la souche A possède une

enzyme A non fonctionnelle et les enzymes B et C fonctionnelles.

Pour les souches B et C ce sont respectivement les enzymes B et C,

au moins, qui sont non fonctionnelles.

La mutation a modifié un gène et cela se traduit par la modification

d’une enzyme.

Cette expérience a montré le lien direct gène-enzyme, qui a ensuite

été élargi au lien gène-protéine (car les enzymes sont des protéines).

Un gène est une unité d'information, contenue dans l'ADN et qui permet la

synthèse d'une protéine par une cellule.

Qu’est-ce qu’une protéine ?

II / LES PROTEINES

Une protéine, c'est un polymère d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons fortes. La plupart des

protéines sont formées de l'union de 100 à 200 acides aminés.

Vingt acides aminés sont impliqués dans les protéines.

Fonction acideFonction amine

Les acides aminés possèdent un motif commun et diffèrent par leur radical

Groupement CH

Les acides aminés sont liés par la liaison peptidique.

Cette liaison laisse libre une fonction acide et une fonction amine, ce qui permet la formation de nouvelles liaisons peptidiques avec d’autres

acides aminés.

La taille des protéines peut devenir très grande.

Visualisation de molécules avec le logiciel Rastop.

La taille des protéines permet des repliements successifs qui lui

confère une structure tridimensionnelle déterminée grâce à

des liaisons entre acides aminés.

Cette structure tridimensionnelle est stabilisée grâce à différentes liaisons

entre acides aminés.

Il existe plusieurs types de liaisons : ionique, hydrogène, effet hydrophobe et

pont disulfure.

Comment l’information contenue sous la forme d’un polymère de

nucléotides s’exprime sous la forme d’un polymère d’acides aminés ?

III / LOCALISATION DE LA SYNTHESE DES PROTEINES

Dans quel compartiment cellulaire sont synthétisées les protéines ?

Des cellules animales sont cultivées in vitro dans un milieu

approprié contenant un acide aminé radioactif, la leucine.

Par cette technique, les protéines sont repérables sous forme de grains noirs en raison de leur capacité à impressionner une

émulsion photographique.

L’acétabulaire est une algue unicellulaire. Sa cellule de grande

taille facilite les observations.

Pour étudier la synthèse des protéines, on fournit un acide aminé radioactif et on suit son devenir par

autoradiographie.

Où est localisé l’acide aminé

radioactif ?

L’acide aminé, précurseur des protéines, est localisé dans le

cytoplasme et ne se trouve pas dans le noyau où est localisée

l’information génétique. Donc ……

La synthèse des protéines ne s’effectue pas dans le noyau mais

dans le cytoplasme. Donc …..

Il faut un intermédiaire entre l’ADN localisé dans le noyau et la synthèse

des protéines effectuée dans le cytoplasme.

Quelle doit-être la nature de cet intermédiaire, sachant que l’ADN et les protéines sont des polymères ?

L’ADN et les protéines étant des polymères il semble logique de

chercher un intermédiaire qui soit lui aussi un polymère et qui soit capable de passer du noyau au cytoplasme.

Parmi les nombreuses molécules contenues dans la cellule se trouve

l’ARN (Acide RiboNucléique).

L’ARN (Acide RiboNucléique) est un polymère de nucléotide comme l’ADN mais il possède quelques

différences avec lui.

Quelles sont les différences ?

• C’est une molécule monocaténaire

• Il possède une base azotée différente par rapport à l’ADN : adénine, cytosine, guanine et URACILE à la place de la thymine

• Le sucre est le ribose à la place du désoxyribose

L’ARN peut-il passer du noyau au cytoplasme ?

Proposer un protocole permettant de répondre à cette question.

Une cellule a été cultivée pendant 10 minutes (seulement) en présence

d’un précurseur radioactif spécifique de l’ARN, l’uracile tritiée.

Puis elle est placée dans un milieu de culture avec des précurseurs de l’ARN non radioactifs pendant 5 minutes. Elle

est ensuite tuée et soumise à une autoradiographie.

Milieu contenant de

l’uracile normale

Milieu contenant de l’uracile tritiée

10 minutes

Milieu contenant de

l’uracile normale

5 minutes

Ce protocole est répété en laissant certaines cellules 10 minutes et d’autres 1 heure et demi avec des précurseurs

non radioactifs.

a : 5 minutes

b : 10 minutes

c : 1 heure et demi.

Interpréter ce résultat.

Après 5 minutes l’ uracile se trouve dans le cytoplasme et dans le noyau de la cellule.

Après 10 minutes l’uracile se trouve uniquement dans le noyau.

Après une heure et demi l’uracile se trouve uniquement dans le cytoplasme.

Conclusion

L’uracile contenue dans le milieu de culture est passée dans le

cytoplasme puis le noyau et est retournée dans le cytoplasme.

L’ARN semble être synthétisé dans le noyau puis passe dans le cytoplasme.

Enveloppe nucléaire (Cliché obtenue par cryofracture et observation au MEB)

L’ARN emprunte les pores de l’enveloppe nucléaire pour passer dans

le cytoplasme.

Comment l’information génétique est transférée de l’ADN à l’ARN ?

IV / LA SYNTHESE DE L’ARN

Le transfert de l’information génétique de l’ADN à l’ARN est

appelée la transcription.

Observation de figures particulières dans le noyau.

400 nm

Arbre de Miller

Proposer une interprétation de ce document.

ADN

ARN

Schéma d’interprétation

Sens de la transcription

Détails du mécanisme de la transcription

ARNpré-messager

ARNpré-messager

La transcription de l’ADN en ARN est réalisée grâce à un complexe

enzymatique l’ARNpolymérase.

Ce complexe enzymatique écarte localement les deux brins de la

molécule d’ADN.

Puis l’ARNpolymérase progresse le long du gène à transcrire en effectuant la synthèse de l’ARNpré-messager à

partir du brin transcrit en respectant la règle de complémentarité des bases.

Remarque 1 : le même gène est transcrit de nombreuses fois. Il y a amplification de l’information génétique.

Remarque 2 : il n’y a qu’un seul brin qui est transcrit.

V / LE DEVENIR DE L’ARN

Que devient l’ARN après sa synthèse dans le noyau ?

Le brin transcrit de l’ADN est hybridé avec le brin d’ARN sur lequel a été transférée l’information génétique.

La complémentarité des bases permet à l’ARN de s’hybrider avec le brin d’ADN qui a servi de matrice (brin transcrit).

Voici le résultat de l’hybridation

Interprétation : ADN en rouge et ARN en bleu

Qu’en déduisez-vous ?

Le brin d’ARN est plus court que le brin d’ADN qui a servi de matrice. Donc ……

Des parties du brin d’ARN ont été éliminées

Le premier brin d’ARN a subi une maturation, certaines parties ont été conservées (les exons) et d’autres ont été éliminées (les introns).

Il y a eu épissage de l’ARN pré-messager pour donner l’ARN messager

Epissage de l’ARN

GENE

ARN pré-messager

ARN messager

EPISSAGE

Après l’épissage réalisé dans le noyau l’ARN messager est exporté dans le cytoplasme.

Après la transcription, l’épissage de l’ARN et son exportation vers le cytoplasme, la synthèse des protéines peut commencer.

VI / LA SYNTHESE DES PROTEINES

Problème : il existe 20 acides aminés et seulement 4 nucléotides différents.

Combien faut-il de nucléotides au minimum pour établir une correspondance avec un seul acide aminé ?

Correspondance entre un nucléotide et un acide aminé

A aa 1C aa 2G aa 3U aa 4

Ce code est insuffisant pour établir une correspondance avec 20 acides aminés.

Correspondance entre deux nucléotides et un acide aminé.

AA aa 1 CA aa 5AC aa 2 CC aa 6AG aa 3 CG aa 7AU aa 4 Etc ….. ….

Ce codage ne permet la correspondance qu’avec 4² = 16 acides aminés

Il faut donc un codage basé sur 3 nucléotides qui forment un codon pour désigner 1 acide aminé.

Cela donne 43 = 64 possibilités, c’est beaucoup plus qu’il n’en faut.

Comment découvrir ce code ?

C’est le travail de Nirenberg et Matthaei en 1961.

Dans un milieu contenant les 20 acides aminés ainsi que divers constituants cytoplasmiques, ils ajoutent un ARN de synthèse constitué, par exemple, d'une succession de nucléotides à uracile (poly U).

Ils recueillent alors dans le milieu une protéine uniquement constituée de phénylalanine.

Ils avaient découvert le premier élément du code génétique.

UUU phénylalanine

Avec un ARN poly A ou poly C, ils obtiennent respectivement une polypeptide uniquement constitué de lysine, ou de proline.

En 1966, en testant les 64 combinaisons de trois nucléotides

de l’ARN ou codons, Khorana et son

équipe, ont obtenu le décryptage complet du code génétique.

A quel acide aminé correspond le codon CAU ?

Quatre codons ont un rôle particulier :

• Le codon AUG code pour la méthionine mais est également le codon qui indique le début de l’information génétique.

• Les codons UAA, UAG et UGA ne correspondent à aucun acide aminé, ils marquent la fin de l’information génétique. Ce sont des codons STOP.

Le code génétique est universel (ou presque) les mêmes codons codent toujours pour les mêmes acides aminés.

Le code génétique est redondant car plusieurs codons désignent le même acide aminé.

Comment les protéines (ou polypeptides) sont synthétisées ?

La synthèse des polypeptides s’effectue dans le cytoplasme au

niveau des ribosomes.

Les acides aminés sont amenés au niveau des ribosomes par les ARNt (ARN de transfert).

L’anticodon de l’ARNt s’associe en respectant la complémentarité des bases au codon de l’ARNm.

C

La synthèse de la chaîne d’acides aminés débute au niveau du codon AUG (codon initiateur) qui code pour la méthionine.

C’est l’initiation.

Les acides aminés sont amenés au niveau des ribosomes par les ARNt (ARN de transfert).

Lorsque les deux premiers acides aminés sont liés, le ribosome se déplace.

La synthèse se poursuit, c’est l’élongation.

Lorsque le ribosome arrive sur un codon STOP le polypeptide est libéré.

C’est la terminaison, dernière étape de la traduction.

Acides Aminés

ARNm

Met Pro Arg Leu Lys SerMet Pro Arg Leu Lys SerMet Pro Arg Leu LysMet Pro Arg Leu LysMet Pro Arg LeuMet Pro Arg LeuMet Pro ArgMet Pro ArgMet ProMet ProMetMet

GCC AUG CCU CGA CUG AAG UCA UAA AAA

ArgPro

Met

Lys

LeuSerMet

ProArg

LeuLys

Ser

Sens de lecture

Polypeptide