ADN, ARN & Protéines

5GT SB FWB

A.R. d’Esneux

Maître de Stage: Sylvie Bossrez

Stagiaire: Pierre LECOCQ

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Important! Les leçons seront publiées intégralement APRES avoir été données, sur le site WEB et lien suivant: http://ngyx.eu/homepage/AESS/PrepasStages/Biologie/ar_esneux_jan2015/index.html Vous avez donc tout intérêt même si le support sera fourni, à être attentif et prendre des notes dès maintenant…

L’ADN ??? (1/2)

• Révision des acquis… • En savoir un petit peu plus…

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Watson & Crick. Premier modèle de l’ADN. Cambridge UK 1953!

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Une grande échelle enroulée sur elle-même (« double hélice ») et puis grâce à des protéines super-enroulée et

« compactée »

L’ADN ??? (2/2)

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Ponts hydrogènes

« Montants de l ’échelle » Sucre + Groupe Phosphate (C5) et Hydroxyle (C3)

C3 ou C5 « libre »

Organisation de l’ADN (1/5)

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1. Gènes et Génome. « Tu as les tâches de rousseur de ta mère et les yeux bleus de ton père ! »

Les enfants héritent de caractères de leurs parents. Des informations sont transmises d’une génération à la suivante via l’ADN.

Un gène est un fragment d’ADN qui constitue une unité héréditaire. Les dizaines de milliers de gènes que nous recevons de nos parents constituent notre génome = l’ensemble des molécules d’ADN (46 molécules chez l’homme).

Attention: Gène ≠ Caractère = Propriété transmise héréditairement (variable ou non d’un individu à l’autre). Cette propriété peut requérir plusieurs gènes.

Pour rappel: l’ADN est une succession, un enchainement de Nucléotides, plus spécifiquement 4 et seulement 4 types de nucléotides (bases azotées): Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine. (rappel: structure double brin)

Donc l’information héréditaire contenue dans les gènes / le génome est présente sous forme d’un langage codé= 5’ ACGTCGATGCAGC… 3’ (séquence d’ADN) propre à chaque gène.

Les gènes vont donc être décodés (via l’ARN) pour programmer les cellules, programmation qui résulte dans la plupart des cas de la synthèse de protéines, d’enzymes dont l’effet cumulatif produit les caractères héréditaires.

2. Chromatine et Chromosomes.

L’ADN contenant nos gènes est principalement localisé à l’intérieur du noyau, associé à des protéines diverses (2 catégories: Histones et Non-Histones) formant une matière fibreuse et plus ou moins diffuse appelée chromatine .

A

B

Figures 1 & 2

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Organisation de l’ADN (2/5)

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On distingue l’Hétérochromatine relativement dense de l’Euchromatine plus diffuse généralement associée à une grande activité des gènes. Et lorsque la cellule se prépare à se diviser pour se reproduire les minces fibres de chromatine se condensent, s’épaississent pour former des structures distinctes: les chromosomes.

Les chromosomes sont donc constitués d’ADN et de protéines. Chaque espèce possède un nombre précis de chromosomes, nombre qui est propre à l’espèce (Homme: 23 paires de chromosomes soit 46 chromosomes). Chaque chromosome contient des centaines, des milliers de gènes situés en des points bien précis de la molécule d’ADN.

2. Chromatine et Chromosomes (suite)

Chaque chromosome est constitué de deux brins (les chromatides sœurs) liés en un point appelé le centromère (voir figure 3 ci-dessous). Les chromosomes à l’état condensé ne sont pas longs par rapport à la quantité d’ADN qu’ils contiennent: déroulé l’ADN d’une chromatide mesurerait 6-8 cm, soit des milliers de fois plus grand que la taille du noyau. La molécule d’ADN est donc enroulée de manière très complexe.

(Campbell & Reece 2nd Edition)

Figure 3

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Organisation de l’ADN (3/5)

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La figure 4 ci-dessous représente très schématiquement la complexité de cet enroulement de la molécule d’ADN combinée à diverses protéines.

La figure 5 page suivante représente (schémas; partie de gauche) et montre (photos au microscope électronique; partie de droite;) en détails les 4 niveaux d’enroulements/associations avec des protéines conduisant a cet état d’extrême condensation de l’ADN.

2. Chromatine et Chromosomes (suite)

Figure 4

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Organisation de l’ADN (4/5)

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2. Chromatine et Chromosomes (suite)

(Campbell & Reece 2nd Edition)

Figure 5

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Organisation de l’ADN (5/5)

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3. Le caryotype.

Le caryotype est l'arrangement standard de l'ensemble des chromosomes d'une cellule, à partir d'une prise de vue microscopique. Les chromosomes sont photographiés et disposés selon un format standard : par paire et classés par taille, et par position du centromère. On réalise des caryotypes dans le but de détecter des aberrations chromosomiques (telles que la trisomie 21) ou d'identifier certains aspects du génome de l'individu, comme le sexe (XX ou XY; figure 6 ci-dessous).

(www.assistancescolaire.com)

Figure 6

Les chromosomes qui forment une paire sont dits chromosomes homologues. Ils portent les gènes qui déterminent les mêmes caractères héréditaires. Dans les cellules somatiques (non sexuelles) comme on le constate dans la figure 6, il y a cependant une exception: Les chromosomes X et Y qui vont déterminer le sexe de l’individu. Notons que les cellules reproductrices (gamètes; spermatozoïdes ou ovules) ne comportent qu’un seul des 2 chromosomes homologues de chaque paire. C’est donc le spermatozoïde parental qui selon qu’il possèdera le chromosome X ou le chromosome Y déterminera le sexe de l’enfant.

Un caryotype (humain) colorés à l’aide de « sondes spécifiques »

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Réplication de l’ADN (1/2)

9 Figure 1. Source(s): http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9plication_de_l%27ADN

La réplication est le processus au cours duquel l'ADN est synthétisé grâce à l'ADN polymérase. Ce mécanisme permet d'obtenir, à partir d'une molécule d'ADN, deux molécules identiques à la molécule initiale. Puisque les deux chaînes de l'ADN parental se séparent et que deux nouvelles molécules sont formées, on qualifie ce processus de semi-conservateur.

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L'ADN a l'importante propriété de pouvoir être reproduit à l'identique, ce qui permet à l'information génétique de se transmettre d'une cellule mère aux cellules filles lors de la division cellulaire. La molécule d'ADN s'ouvre comme une fermeture éclair (ou tirette — par rupture des liaisons hydrogènes entre bases appariées de liaisons faibles) libérant deux brins complémentaires. Chaque brin solitaire catalyse alors la synthèse de sa moitié manquante, intégrant, selon la règle de complémentarité des bases, des nucléotides qui sont dispersés dans le noyau. Ainsi, chaque nouvelle molécule est identique à la molécule d'ADN initiale. La figure 1 ci-dessous schématise brièvement ce processus.

Réplication de l’ADN (2/2)

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La figure 2 ci-dessous décrit de manière plus détaillée le processus de réplication. En effet la réplication va commencer à des endroits précis : les origines de réplication. Des protéines, les facteurs d'initiation de la réplication vont reconnaître ces endroits. Le rôle de ces facteurs d'initiation est de faciliter la fixation d'autres protéines qui elles aussi vont se fixer à ces origines de réplication. Ces protéines permettent l'ouverture des deux brins de l'ADN et ainsi "faire apparaître" des fourches de réplication. Un grand nombre de protéines interviennent dans le mécanisme moléculaire très complexe de la réplication de l’ADN. Cet ensemble forme le complexe enzymatique de réplication.

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Protéines ??? (1/8)

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Plus le génome est grand (nombre de nucléotides; le nombre de chromosomes ou la longueur du génome n’étant que partiellement liés), plus il contient d’information génétique (des gènes). Ceci n’est toutefois pas strictement proportionnel car l’information génétique peut-être plus ou moins dispersée dans l’ADN. Le nombre de gènes est en relation plus ou moins directe avec le nombre de protéines et le stade évolutif est directement lié au à la complexité du génome (gènes/protéines) Attention! Ceci est une « vision approximative globale »…

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Protéines ??? (2b1/8)

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Les hormones végétales ou phytohormones sont impliquées à tous les stades de la vie d'une plante depuis la pollinisation provoquant la fécondation et le développement de l'embryon zygotique, tout au long du développement de celui-ci en plante adulte jusqu'au contrôle de la floraison, de la fructification et de la sénescence. Les auxines (phytohormones) sont produites par les plantes au niveau de leurs extrémités terminales. L’expérience suivante a été réalisée sur de jeunes plantes en « dopant » certaines avec des Auxines. Quelles conclusions pourriez-vous en déduire (héréditairement)?

Eau Sels Sucres

Eau Sels Sucres Auxines

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L’information génétique (ADN) qui conduit la plante à produire des auxines (protéines) va au final conditionner le développement de la plante (Bourgeonnement ou pas / Nombreuses Radicules ou pas) . Il y a donc un lien direct entre information génétique et caractéristiques « phénotypiques/développementales » via les protéines.

D’où la relation:

ADN Protéines Caractères

Protéines ??? (2b2/8)

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La drépanocytose (du grec drepanon, faucille), également appelée hémoglobinose S, sicklémie ou anémie à cellules falciformes, est une maladie héréditaire qui se caractérise par l'altération de l'hémoglobine, la protéine assurant le transport du dioxygène dans le sang. Ci-dessous sont représentés les débuts des gènes codant pour la beta Globine, en bas figurant l’allèle S conduisant a une anémie « falciforme ». Qu’en déduisez-vous héréditairement parlant?

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Une information génétique différente (ADN; GAG vs.GTG; « mutation ») se répercute au niveau de la protéine synthétisée et peut avoir un impact « phénotypique » conséquent (éventuellement « létal »)

Ceci n’est pas « un mal »! Sans ces « erreurs » la chaîne évolutive (et donc au final l’être humain situé en bout de chaîne) n’existerait pas! La « nature » est surprenante! Elle établit des règles de fonctionnement très strictes (valables pour tous de la bactérie à l’homme) mais elle « s’arrange » pour admettre une certaine diversité qui peut le cas échéant assurer sa continuité.

A méditer!

Protéines ??? (3/8)

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Introduction.

Les protéines (du grec « Prôtos » = « premier ») sont des éléments essentiels de la vie de la cellule : elles peuvent jouer un rôle structurel (comme l'actine), un rôle dans la mobilité (comme la myosine), un rôle catalytique (les enzymes), un rôle de régulation de la compaction de l'ADN (les histones) ou d'expression des gènes (les facteurs de transcription), etc. En somme, l'immense majorité des fonctions cellulaires est assurée par des protéines. L’être humain possède des dizaines de milliers de protéines différentes chacune ayant une structure relativement complexe et une fonction, un rôle spécifique. La diversité des protéines assure les différences entre les individus d’espèce différentes ou d’une même espèce. Une protéine est une macromolécule biologique composée d’une ou plusieurs chaînes d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques (chaine polypeptidique). Elles sont donc comme les glucides et les lipides composées d’atomes de Carbone, d’Oxygène, d’Hydrogène, d’Azote et parfois de Souffre. En général, on parle de protéine lorsque la chaîne contient au moins 50 acides aminés, et de peptide pour des assemblages de plus petite taille.

Comme nous l’avons déduit de l’analyse de documents / données expérimentales, la variabilité de la structure des protéines est intimement liée à celle de l’ADN puisque c’est celui qui porte l’information héréditaire permettant de créer les protéines. Avant d’aller plus avant dans ce processus il est donc tout à fait nécessaire de bien comprendre la structure des protéines.

Structure des protéines.

Les protéines sont constituées un peu à l’image d’un brin d’ADN, d’une succession d’acides aminés. 20 acides aminés différents pour être précis (voir figure 4 page suivante).

R: groupe alkyle variable au sein des 20 acides aminés

Figure 2

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Protéines ??? (4/8)

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Structure (suite).

Au sein des protéines les acides aminés sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques (covalentes; figure 3). Les protéines sont donc des polymères d’acides aminés possédant comme l’ADN une séquence spécifique. Les protéines vont donc différer par la nature des acides aminés, leur nombre et l’ordre de ces acides aminés. Ces 3 critères déterminent la forme et la fonction des protéines (exemple: Insuline humaine figure 5 page suivante).

Extrémité N-terminale

Extrémité C-terminale

Source: New England BioLabs Inc.Catalog

Figure 4

Figure 3

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Protéines ??? (5/8)

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Structure (suite). La figure 5 montre les séquences primaires (succession des acides aminés) des chaines Alpha et Bêta de l’insuline humaine. Notez l’utilisation du code

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC; 1970).

(figure 6) pour faciliter cette représentation et la présence de ponts disulfures (liaisons covalentes) qui lient les 2 peptides entre eux .

Figure 7: Venn Diagram Tentative de visualiser les propriétés des différents acides aminés en 2D

Figure 5

Figure 6

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Protéines ??? (6/8)

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Structure des protéines (suite). Remarques Importantes: • Bien que notre organisme synthétise nos propres protéines il n’est pas capable de

fabriquer tous les acides aminés. Ceux-ci doivent donc être importer à partir des aliments (poissons, viandes, œufs,…). Les acides aminés sont rendus assimilables par les cellules de notre corps lors du processus de digestion alimentaire (figure 8 ci-dessous)

• Chaque cellule même si elle dispose du même matériel génétique (ADN) ne produit pas toutes les protéines possibles mais suivant sa spécificité uniquement celles qui sont nécessaires) et dans les quantités requises. Cette variabilité est la « différenciation cellulaire ».

Structure spatiale (« 3D ») des protéines. Les protéines assurent de multiples fonctions/rôles. Nombre d’entre eux requièrent des interactions avec d’autres molécules (exemple: Réplication de l’ADN)qui ne peuvent être établies que si les protéines adoptent une configuration spatiale adéquate. On distingue 4 niveaux successifs d’organisation pour obtenir la structure spatiale d’une protéine: • Structure Primaire: Ordre des acides aminés (N-ter vers C-ter par convention) • Structure Secondaire: La chaine d’acides aminés adopte certaines formes à des

endroits définis par établissement de liaisons (principalement des ponts hydrogène) intramoléculaire (entre acides aminés d’un même peptide proche ou lointain)

• Structure Tertiaire: D’autres types de liaisons/interactions viennent s’ajouter et augmenter la complexité pour au final adopter une forme dite compacte ou globulaire (ou autre…).

• Structure Quaternaire: Celle-ci désigne la formation de liaisons intermoléculaires (comme pour l’insuline vu précédemment).

La figure 9 page suivante donne un aperçu de ces différents niveaux dans l’organisation spatiale des protéines.

Figure 8 www.certiferme.com

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Protéines ??? (7/8)

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De manière générale on peut considérer que la forme de la molécule protéinique conditionne sa fonction biologique. Et ainsi distinguer 2 grands types de protéines sur base de leurs fonctions. Les protéines fibreuses ou structurales. Elles soutiennent les tissus, « donnent du corps » à l’organisme. Exemples: Le collagène, (peau), la kératine (cheveux, ongles,…) Les protéines globulaires ou fonctionnelles. Celles-ci ont une « activité » autre que simplement structurale. Citons quelques exemples (d’autres sont repris dans la figure 10 page suivante): • Protéines immunitaires: Les anticorps combattent bactéries, virus, toxines

(en fait tout le « non-soi »). • Les hormones: Elles régulent le métabolisme et la croissance (insuline et

glucagon secrétées par le pancréas qui régulent le taux de glucose sanguin)

• Les catalyseurs (enzymes): Ils accélèrent/diminuent la vitesse de réactions biochimiques (enzymes digestives)

• Les protéines de transport: l’Hémoglobine transportant le dioxygène.

Figure 9 eric.lacouture.free.fr

Structure des protéines (fin).

Fonctions des protéines.

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Protéines ??? (8/8)

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Voilà pour ce qui en est des protéines, du moins des éléments de base permettant d’entrevoir leurs structures / fonctions.

Cependant une question devrait vous « brûler les lèvres »:

Comment passe-t-on de l’information génétique (ADN) à la synthèse des protéines?

Soutien Mise en réserve d’acides aminés Transport de substances Régulation hormonale Réception de substances Mouvement Immunité humorale Catalyse

Fonctions des protéines (suite et fin).

Figure 10 Campbell & Reece

Que savons-nous? • Les protéines déterminent par leurs activités spécifiques les caractères de

chaque cellule et par conséquent de chaque individu (un ensemble de caractères est dénommé phénotype)

• Les gènes contiennent l’information nécessaire à la synthèse des protéines • La séquence nucléotidique de l’ADN (nombre, type, ordre) est spécifique à

chaque gène de même que la séquence peptidique (en acides aminés; nombre, type, ordre) est spécifique à chaque protéine.

QUESTION: Par quel processus l’ADN d’un gène X conduit-il à la synthèse spécifique d’une protéine Y? Essayons d’y répondre en examinant les résultats / données de expérimentales.

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (1/7)

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On réalise une expérience de traduction in vitro à partir d’extraits cytoplasmiques contenant une source d’énergie et des acides aminés radioactifs mais dépourvus d’ARN messager et de ribosomes. On rajoute ensuite de l’ARN messager et/ou des ribosomes aux extraits cytoplasmiques puis on recherche la présence de protéines radioactives. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau ci-dessous. (ARNm = ARN messager)

En vous basant sur ces résultats expérimentaux que pouvez déduire?

lewebpedagogique.com

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (2/7)

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1. La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme. Elle est plus particulièrement localisée au niveau des ribosomes du Réticulum Endoplasmique Rugueux.

2. Sachant que l’ADN est localisé dans le noyau et d’après les résultats expérimentaux la transmission du message s’effectue via l’ARNm (messager)

3. La transmission du message s’effectue selon le même processus indépendamment des espèces (on dit qu’elle est universelle)

Figure 10 Campbell & Reece

http://www.ac-creteil.fr/svt/Media/Med1S/Autoradiographie/Cel_panc_WEB.htm

Voyons cela plus en détails

www.vcbio.science.ru.nl

Avant d’aller plus loin…l’ARNm (les ARN)

Français vs. English ADN vs. DNA ARN vs. RNA

ARNm vs. mRNA Traduction vs. Translation

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L’ARN ???

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ARNt

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (3/7)

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Transcription de l’ADN en ARNm.

Ulg, 1-ier BAC Biologie (M. Thiry; 2014)

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (4/7)

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Transcription de l’ADN en ARNm (suite)

Direction le Cytoplasme, le RER, les Ribosomes pour la Traduction

Ulg, 1-ier BAC Biologie (M. Thiry; 2014)

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (5/7)

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Traduction de l’ARNm en Protéines.

Ulg, 1-ier BAC Biologie (M. Thiry; 2014)

Le processus est identifié!

Mais il reste encore un ou deux éléments à préciser…

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De l’information génétique (ADN) aux protéines (6/7)

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Code Génétique.

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC; 1970).

Source: New England BioLabs Inc.Catalog

Le code est “universel” = Tous les êtres vivants suivent les mêmes “processes” et tous les êtres humains se sont mis d’accord pour utiliser les mêmes symboles! BUT this is not perfect… Nuc. X = N, U vs. T (RNA vs. DNA) Dash(-) missing and deletion / Insertion (gap). AA: Degeneration? Stop (* used) Last but not least: in 1970 almost no Computer. So now problems with not AlphaNum Chars!

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Résumé: Transcription - Traduction

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Source: Campbell 2ème édition p331

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