Génétique moléculaire : expression de l'information génétique

La synthèse d'une protéine nécessite que les acides aminés spécifiques qui la constituent soient assemblés dans un ordre précis. L'information nécessaire à cette synthèse se trouve dans les gènes. L'expression d'un gène conduit à la biosynthèse d'une protéine et se fait en deux étapes, la transcription et la traduction.
1. Comment se déroule la transcription du gène ?
• Le lieu de synthèse des protéines est le cytoplasme de la cellule. L'information génétique codée dans l'ADN se trouve dans le noyau. La taille trop importante des molécules d'ADN ne leur permet pas de traverser les pores de la membranaire nucléaire. La transmission de l'information génétique entre le noyau et le cytoplasme est assurée par une molécule beaucoup plus petite qui sert d'intermédiaire : l'ARN messager (ARNm).
• L'ARNm est synthétisé dans le noyau sous l'action d'un complexe enzymatique, l'ARN polymérase, au cours d'un phénomène appelé transcription. Il passe ensuite dans le cytoplasme.
• Après ouverture de la double hélice d'ADN, l'un des deux brins, appelé brin transcrit, sert de « matrice » à la synthèse d'une nouvelle chaîne. Il se forme un brin d'ARN dont la séquence est complémentaire d'une portion du brin transcrit de la molécule d'ADN. Cette synthèse se réalise à partir des ribonucléotides contenus dans le nucléoplasme. Les ribonucléotides sont des molécules constituées de trois éléments : une molécule d'acide phosphorique, une molécule de ribose et une base azotée (A, U, C ou G). Il n'y pas de thymine dans la molécule d'ARN, elle est remplacée par l'uracile.
• L'information génétique est conservée car la séquence des nucléotides de l'ARNm est imposée par celle de l'ADN dans le respect de la complémentarité des bases. L'ARNm est une molécule simple brin et ne forme pas de double hélice.
Génétique moléculaire : expression de l'information génétique - illustration 1
2. Comment fonctionne le code génétique ?
• Les protéines sont constituées de 20 acides aminés différents, alors que l'ADN est réalisé à partir de 4 nucléotides symbolisés par l'initiale de leur base azotée A, T, C, G. Pour pouvoir établir une correspondance entre les 20 acides aminés et les 4 nucléotides, il faut considérer des combinaisons de 3 nucléotides, appelées codons. Chaque codon correspond à un seul acide aminé.
• On appelle code génétique la correspondance étroite entre le « langage » de l'ADN qui comporte 64 codons différents (combinaisons des 4 nucléotides 3 par 3, soit 43 codons), et le « langage » protéique, qui comporte 20 acides aminés.
Un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents : il y a redondance et le code génétique est dit dégénéré.
Le début de la traduction d'un polypeptide est signalé par le codon d'initiation AUG sur tous les ARN messagers.
Trois codons ne désignent aucun acide aminé (codons-stop), ils correspondent à un signal de ponctuation, qui marque la fin de la fabrication du polypepetide lors de la traduction. Ce sont les codons UAA, UAG et UGA. Le code génétique est ponctué.
• La correspondance entre les codons de l'ADN et les acides aminés est la même quelle que soit la cellule vivante considérée. N'importe quelle cellule est capable de « lire » un gène provenant de n'importe quelle autre espèce et de produire la protéine correspondante. Le code génétique est universel.
Génétique moléculaire : expression de l'information génétique - illustration 2
Exercice n°3
3. Comment se déroule la traduction de l'ARNm en une séquence d'acides aminés ?
• La seconde étape de l'expression d'un gène, la traduction, se déroule dans le cytoplasme et correspond à l'assemblage des acides aminés pour former une protéine. Cette synthèse est effectuée selon les instructions contenues dans l'ARNm. L'information réside dans la nature et l'ordre d'enchaînement des nucléotides. La synthèse est réalisée au niveau des ribosomes, organites cytoplasmiques formés de protéines et d'ARN, qui fonctionnent comme des ateliers d'assemblage.
• Le mécanisme de synthèse comporte trois étapes :
a) L'initiation, au cours de laquelle un ribosome (4) se fixe au niveau d'un triplet de l'ARNm (6). Ce triplet est donc toujours le codon AUG, le codon d'initiation (5).
b) L'élongation, au cours de laquelle le ribosome se décale le long de la chaîne d'ARNm et fait correspondre à chaque triplet rencontré, un acide aminé spécifique (7). Les acides aminés s'enchaînent les uns aux autres par une liaison peptidique pour former une chaîne polypeptidique (1). Cette phase requiert la présence dans le cytoplasme de la cellule d'outils complémentaires :
  • Des ARN de transfert (ARNt) (2) : petites molécules d'ARN comportant 2 sites de fixation, l'un pour un acide aminé spécifique, l'autre appelé anticodon pour la fixation sur un codon de l'ARNm (3, 8). Le rôle des ARNt est donc de transporter les acides aminés jusqu'à l'ARNm et d'assurer leur mise en place dans le respect du code génétique.
  • Des enzymes permettant la liaison des acides aminés à un ARN de transfert (ARNt), la liaison des ARNt à l'ARNm et la formation de liaisons peptidiques entre les différents acides aminés de la chaîne.
  • De l'énergie.
c) La terminaison provoquée par l'arrivée du ribosome au niveau d'un codon-stop. Le ribosome se détache de l'ARNm et libère la chaîne polypeptidique formée.
• Plusieurs ribosomes effectuent la synthèse de protéines à partir d'un même ARN. Ils se succèdent sur le brin d'ARNm. Chaque molécule d'ARNm gouverne ainsi la synthèse de 10 à 20 molécules polypeptidiques puis il est détruit.
Schéma de la traduction d'un ARNm en chaîne polypeptidique
Schéma de la traduction d'un ARNm en chaîne polypeptidique
4. Quelles sont les conséquences de modifications de la structure d'un gène ?
• Une mutation désigne le processus par lequel un allèle naît par modification d'un gène préexistant. Toute modification par mutation de la séquence d'un gène, donnant naissance à un nouvel allèle, peut conduire à une modification de la structure primaire de la protéine correspondante, c'est-à-dire de l'ordre et de la nature des acides aminés qui la composent. Elle a parfois également pour conséquence une modification de la conformation spatiale de la protéine, ce qui peut changer ses propriétés.
• Le plus souvent, les mutations sont ponctuelles et concernent un seul ou un petit nombre de nucléotides.
Elles se produisent au hasard le long du gène et peuvent se manifester par :
  • Une substitution de nucléotides : un ou plusieurs nucléotides situés à des sites précis du gène sont remplacés par un autre. Un ou plusieurs codons sont modifiés.
  • Une délétion ou une insertion de nucléotides : un ou plusieurs nucléotides sont supprimés ou ajoutés à la séquence nucléotidiques. La succession des triplets de l'ADN diffère alors de la séquence de référence à partir de la délétion ou de l'insertion, puis ces mutations induisent un décalage de la lecture du message par le ribosome, la protéine obtenue est différente de la protéine normale.
  • Une inversion d'une séquence.
• Les conséquences de ces mutations sur la séquence polypeptidique sont variables et on peut distinguer plusieurs cas (voir tableau ci-dessous) :
a) Conséquences de la substitution d'un nucléotide
• Les deux polypeptides sont identiques. Ce phénomène se produit par suite de la redondance du code génétique, le nouveau triplet obtenu après mutation conduit au même acide aminé : par exemple TGG pour le codon d'origine et TGT pour le codon muté, qui correspondent tous deux à la thréonine. La mutation est dite silencieuse.
• Les deux polypeptides diffèrent par un seul acide aminé, ce qui peut modifier l'activité biologique : par exemple TGG pour le codon d'origine et TCG pour le codon muté. La thréonine est changée en sérine. La mutation est dite faux-sens.
• Les deux polypeptides diffèrent par un seul acide aminé. La chaîne polypeptidique peut être plus courte si la mutation fait apparaître un codon-stop (exemple : AAT devient ACT, qui correspond sur l'ARNm à UAG, un des codons-stop). La mutation est dite non-sens.
b) Conséquences de délétion ou d'insertion d'un ou plusieurs nucléotides
• Si le nombre de nucléotides perdus ou insérés n'est pas un multiple de 3, le cadre de lecture de l'ADN (et donc de l'ARNm) est modifié. La séquence des acides aminés est différente à partir de la délétion ou de l'insertion (exemple : AAT-TGG devient ATT-GG… par perte d'un A). Par suite du décalage, il peut apparaître un codon-stop et la traduction s'interrompt précocement. Le polypeptide est plus court et généralement non fonctionnel.
• Si le nombre de nucléotides perdus ou insérés est un multiple de 3, les conséquences sont variables. Il n'y a pas dans ce cas de décalage du cadre de lecture de l'ADN, mais le polypeptide codé présente une perte ou un gain de quelques acides aminés. Cela peut n'avoir aucune conséquence sur l'activité du polypeptide ou au contraire le modifier profondément.
Résumé de différentes mutations ponctuelles et leurs conséquences
Résumé de différentes mutations ponctuelles et leurs conséquences
À retenir
• L'expression de l'information génétique se fait en deux étapes, la transcription et la traduction.
• La transcription du gène se déroule dans le noyau. Elle aboutit à la synthèse de l'ARNm.
• L'enchaînement des nucléotides de l'ARNm est complémentaire de celui du brin transcrit de l'ADN.
• On appelle code génétique la correspondance entre les triplets de nucléotides de l'ADN, ou codons, et les acides aminés.
• La traduction de l'ARNm en chaîne polypeptidique se déroule dans le cytoplasme. L'ARNm sert de matrice pour l'assemblage des acides aminés. Des ribosomes, des enzymes et de l'énergie sont également nécessaires.
• Toute modification accidentelle d'un gène ou mutation peut avoir des conséquences sur la structure et le fonctionnement de la protéine pour laquelle il code.
La synthèse de l'ARNm :
Cochez la bonne réponse.
se fait dans le cytoplasme des cellules.
nécessite une enzyme : l'ARN polymérase.
utilise les mêmes nucléotides que ceux de l'ADN.
Les nucléotides de l'ARNm ne sont pas les mêmes que ceux de l'ADN : ils contiennent du ribose et non du désoxyribose ; ils ne contiennent jamais de thymine, qui est remplacée par l'uracile. La synthèse de l'ARNm se fait dans le noyau des cellules et nécessite une enzyme : l'ARN polymérase.
La molécule d'ARNm :
Cochez la bonne réponse.
est plus courte que la molécule d'ADN.
comporte deux brins complémentaires comme l'ADN.
reste dans le noyau après sa synthèse.
La molécule d'ARNm est une molécule simple brin. Elle est destinée à porter un message dans le cytoplasme. Elle est plus courte que la molécule d'ADN car sa synthèse se fait sur une petite portion seulement d'un brin de la molécule d'ADN.
Un codon :
Cochez la bonne réponse.
correspond toujours à un acide aminé.
est un ensemble de quatre nucléotides de l'ARNm.
porte l'information pour un acide aminé précis.
Il y a 3 codons qui ne désignent pas d'acide aminés (codon-stop). Les autres codons comprennent 3 nucléotides et portent l'information pour un acide aminé donné.
La traduction :
Cochez la bonne réponse.
est la phase de conversion de l'ADN en ARNm.
se déroule dans le noyau des cellules.
assure la conversion de l'ARNm en chaîne polypeptidique.
La traduction se déroule dans le cytoplasme des cellules. Elle assure la conversion de l'ARNm en chaîne polypeptidique.
Le rôle des molécules d'ARNm est :
Cochez la bonne réponse.
de faire passer l'ADN du noyau au cytoplasme.
de transférer une information du noyau vers le cytoplasme.
d'assembler les acides aminés.
L'ADN reste toujours dans le noyau. Les acides aminés sont assemblés grâce à l'intervention des ribosomes et des ARNt. Le rôle des molécules d'ARNm est de transférer une information du noyau vers le cytoplasme.
Les mutations géniques caractérisées par la substitution d'un nucléotide par un autre :
Cochez la bonne réponse.
modifient toujours la séquence d'acides aminés du polypeptide codé par ce gène.
peuvent avoir lieu en n'importe quel point du gène.
donnent toujours des polypeptides de même longueur.
Les mutations par la substitution d'un nucléotide ne modifient pas toujours la séquence d'acides aminés du polypeptide correspondant du fait de la redondance du code génétique. Elles peuvent avoir lieu en n'importe quel point du gène et faire apparaître une chaîne polypeptidique plus courte.