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1 Nature et expression de l’information génétique POLY-PREPAS 1 2 Expression de

1 Nature et expression de l’information génétique POLY-PREPAS 1 2 Expression de l’information génétique à l’échelle cellulaire 1-EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE 1.1- STRUCTURE DE L'INFORMATION GENETIQUE: L'information génétique est définie par l'activité de la molécule d'ADN. L'ADN, support de l'information génétique, est formé par un arrangement caractéristique de l'espèce de quatre types de nucléotides qui se distinguent par leur bases azotées. Les nucléotides se reconnaissent deux à deux (A reconnaît T et réciproquement et C reconnaît G et réciproquement) ce qui fait que cette molécule est formée de deux chaînes complémentaires. Un nucléotide est une association de: base azoté + désoxyribose + acide phosphorique Un gène est une séquence de nucléotides d’un brin d’ADN déterminant la séquence d’un polypeptide donné. 2 3 Structure secondaire de l’ADN Dans l'espace, cette molécule se présente en double hélice. Au cours de la réplication de la molécule d'ADN, chaque chaîne ancienne construit une nouvelle chaîne qui lui est complémentaire et qui est identique à celle avec laquelle elle était associée. On parle, alors, d'une duplication ou réplication semi-conservative de la molécule d'ADN. 3 4 Expression de l’information génétique 1.2- EXPRESSION DE L'INFORMATION GENETIQUE: Chaque individu présente un ensemble de caractères qui correspondent à son phénotype. Ces caractères sont le produit de l'expression du matériel génétique puisqu'ils sont transmissibles à travers les générations. L'expression de ces caractères revient à la présence de protéines spécifiques (c'est -à- dire à un arrangement spécifique en acides aminés). Plusieurs expériences telles que l'utilisation d'acides aminés radioactifs ont montré que la synthèse des protéines se fait dans le cytoplasme alors que l'information génétique est localisée dans le noyau. Ces observations ont laissé comprendre que la synthèse protéique ne se fait pas directement à partir de la molécule d'ADN d'où la nécessité d'un intermédiaire capable de se déplacer entre le noyau et le cytoplasme pour transporter l'information génétique jusqu'à la machine de synthèse protéique. Cet intermédiaire est l'ARN messager. Dans nos cellules il y a trois types d'ARN à savoir: - ARN messager noté ARNm. - ARN de transfert noté ARNt qui fait reconnaître les acides aminés à l'ARNm pour synthétiser les protéines. - ARN ribosomique noté ARNr qui rentre dans la structure du ribosome qui forme la machine de synthèse protéique. Ainsi, on comprend que l'expression de l'information génétique se fait en deux étapes: -Transcription: on appelle transcription la conversion du gène en ARNm - Traduction: on appelle traduction la conversion de l'ARNm en protéine c'est à dire en une séquence d'acides aminés. 4 5 Structure de l’ARN 1.2.1- LA TRANSCRIPTION A- structure de l’ARN L’ARN est une macromolécule constituée d’une chaîne de nucléotides. Chaque nucléotide est composé d’un acide phosphorique, d’un glucide à cinq atomes de carbone (le ribose), et d’une des quatre bases azotées suivantes : A pour Adénine, U pour Uracile, C pour Cytosine et G pour Guanine. Il existe plusieurs types d'ARN qui assurent des fonctions différentes dans les cellules. L’ARN messager assure le transfert de l’information génétique du noyau au cytoplasme. 5 6 La transcription B- Mécanisme simplifié de la transcription La transcription correspond à la synthèse de molécules d’ARNm à partir de l’ADN. Elle peut être observée au microscope électronique à transmission. Sur le diapo ci-dessus, un gène présente une activité de synthèse d’ARN m. Chaque filament hérissé de part et d’autre du fragment d’ADN correspond à une molécule d’ARN m en cours de synthèse. Lors de la transcription d’un gène, la molécule d'ADN « s'ouvre », au niveau de ce gène, par rupture des liaisons hydrogène entre les bases complémentaires des deux brins. La synthèse d’une molécule d'ARN m s'effectue au contact d’un des deux brins de l’ADN, appelé brin transcrit, par assemblage de nucléotides libres dans le noyau suivant un ordre précis imposé par la complémentarité des bases entre l’ARN m et le brin d’ADN. Les règles d’appariement des bases de l’ARN m et du brin transcrit de l’ADN sont pratiquement similaires à celles qui régissent l’appariement des deux brins d’ADN. La différence réside dans le fait que le nucléotide à base U de l’ARN m s’apparie avec le nucléotide à base A de l’ADN. Lorsque une molécule d'ARN m est formée, elle se sépare de l'ADN et quitte le noyau par les pores présents au niveau de la membrane nucléaire. L’ARN polymérase est un complexe enzymatique qui catalyse la transcription de l'ADN en ARN m. L’ARN polymérase reconnaît sur l'ADN les séquences de nucléotides qui signalent le début et la fin de la transcription. La synthèse d’ARN consomme de l'énergie. 6 7 La transcription chez les procaryotes C-Cas du gène procaryote: L'observation du gène procaryote laisse constater que l'ARNm synthétisé est directement utilisé pour la synthèse protéique. Donc, chez les procaryotes, l'ARNm correspond nucléotide par nucléotide à la portion transcrite du gène. 7 8 La transcription chez les eucaryotes D-Cas des eucaryotes: Dans ce cas le gène est formé de deux catégories de séquences nucléotidiques: - Les exons: qui correspondent aux séquences codantes et se trouvent sous forme complémentaire dans l'ARNm exporté vers le cytoplasme. - Les introns: qui correspondent à des séquences non codantes, insérées entre les exons et qui n'ont pas de complémentaires dans l'ARNm utilisé pour la synthèse protéique. Le gène eucaryote est, ainsi, dit morcelé ou en mosaïque. Suite à cette structure, la transcription du gène eucaryote se fait en deux phases: d'abord le gène est transcrit en sa totalité (exons et introns) pour donner un premier ARN dit ARN préméssager . Puis, au niveau même du noyau, l'ARN préméssager subit une excision des parties correspondantes aux introns et un épissage des parties correspondantes aux exons pour donner, en fin, l'ARNm qui sera transféré vers le cytoplasme. 8 9 Le code génétique 1.2.2- LA TRADUCTION: La traduction consiste à faire correspondre la séquence nucléotidique de l'ARNm à la séquence d'acides aminés de la protéine. La question qui s'impose est : comment peut-on faire correspondre les quatre nucléotides de l'information génétique aux vingt acides aminés des protéines? Le code génétique: La réponse à cette question a permis de définir le code génétique. Ce code a été mis en place à la suite d'un raisonnement mathématique qui a été confirmé par l'expérimentation. En effet, si on fait correspondre à un nucléotide un acide aminé (41=4) on n'obtient pas un arrangement satisfaisant puisqu'une protéine ne renfermera au maximum que quatre acides aminés différents! Ce qui n'est pas le cas dans la nature. De même, un arrangement qui fait correspondre deux nucléotides à un acide aminé n'est également pas satisfaisant (42=16). Comme on peut le constater sur le diapo ci-dessus, parmi les 64 CODONS : – 61 désignent un acide aminé ; – 3 commandent l'arrêt de la synthèse protéique et sont appelés codons stop ou codon non-sens (UAA, UAG et UGA). Certains codons désignent le même acide aminé. Par exemple la leucine correspond à six codons différents. A cause de cette particularité, le code génétique est dit redondant ou dégénéré. Ce code possède 5 propriétés: A-Le code génétique est dégénéré: c'est-à-dire que la plupart des acides aminés sont définis par plus d'un seul codon. B-Le code génétique n'est pas chevauchant: c'est à dire qu'un nucléotide n'appartient qu'à un seul codon et la lecture se fait codon par codon. C-Le code génétique est à quelques exceptions près universel. D-le doublet initial peut être seul déterminant E-Trois codons ne définissent aucun acide aminé et sont ainsi appelés codons stop ou codons non sens. Il s'agit des codons UAA, UAG et UGA. 9 10 La traduction chez les eucaryotes A- La machine de synthèse: La machine de synthèse est formée d' acides aminés, de l'ARNm, de ribosomes (voir schéma) et de l'ARNt qui est formé d'une chaîne nucléotidique associée à des protéines et qui présente la forme d'une feuille de trèfle avec quatre pôles dont un qui forme un site de fixation de l'acide aminé et un autre qui est formé d'un triplet complémentaire au codon correspondant à l'acide aminé en question et qu'on appelle anti-codon. 10 11 Mécanisme de la traduction B- Mécanisme de la traduction La traduction de l'ARNm en protéine se fait en trois phases successives: A-La phase d'initiation: L'ARNm, libre dans le cytoplasme, sera fixé par une petite sous-unité du ribosome tel qu'un codon initiateur (toujours le même) AUG sera exposé en premier plan ce qui va faire appel à une grande sous-unité du ribosome qui couvre l'ensemble. Cette sous-unité est formée de deux sites: site A et site P. Le site P se trouve déjà en face du codon initiateur ce qui fait appel à un ARNt initiateur puisqu'il porte l'anti-codon UAC et un acide aminé initiateur: la méthionine. La fixation de cet ensemble dans le site P déclenche la synthèse protéique. B-La phase d'élongation: Le site A de la grande sous-unité étant libre devant le deuxième codon, ceci fait appel à un deuxième ARNt qui porte le deuxième acide aminé. L'installation de cet ARNt dans le site A stimule la formation de la liaison peptidique entre les deux acides aminés et la rupture de la liaison entre uploads/s3/ chapitre-2-nature-et-expression-de-l-information-g-n-tique.pdf