3ème partie : De l'ADN aux protéines

1. Caractéristiques générales

a) Relation entre ADN, protéines et fonctionnement cellulaire

Le fonctionnement de la cellule repose sur un enchaînement fondamental : ADN ⇒ Protéines ⇒ Fonctionnement de la cellule.

L'ADN (acide désoxyribonucléique) constitue le matériel héréditaire transmis d'une génération à l'autre.

• Il contient l'ensemble des informations génétiques nécessaires au développement, au fonctionnement et à la reproduction des organismes vivants.

• L'ADN détermine la spécificité biologique de chaque individu — c'est-à-dire ses caractéristiques propres, la nature et le fonctionnement de ses cellules, ainsi que sa morphologie générale.

C'est en dirigeant la synthèse de protéines spécifiques que l'ADN exprime les messages génétiques qu'il contient.

L'expression des caractères héréditaires se manifeste toujours sous forme de protéines.
Les protéines ainsi produites assurent la plupart des fonctions biologiques de la cellule (enzymes, hormones, anticorps, protéines structurales, etc.), déterminant ainsi son activité et son rôle dans l'organisme.

b) L'expression du message génétique : les trois grandes étapes

L'expression du message génétique, qui permet le passage de l'ADN à la protéine, se déroule en 3 étapes successives : ADN ⇒ ARN prémessager ⇒ ARN messager ⇒ Protéines.

1. Transcription (dans le noyau)

   • L'ADN sert de modèle pour la synthèse d'un ARN prémessager (ARN pré-m).

   • Cette étape consiste à copier une séquence d'ADN sous forme d'ARN, grâce à une enzyme : l'ARNpolymérase.

2. Maturation (dans le noyau)

   • L'ARN prémessager subit des modifications avant de devenir un ARN messager (ARNm) fonctionnel.

   • Ces transformations consistent notamment à éliminer certaines séquences non codantes (introns) et à assembler les séquences codantes (exons).

3. Traduction (dans le cytoplasme)

   • L'ARN messager quitte le noyau pour rejoindre le cytoplasme.

   • Il est ensuite lu par les ribosomes, qui traduisent son code en chaîne d'acides aminés formant une protéine.

2. Les agents

a) L'ADN — Support de l'information génétique

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est la molécule de stockage de l'information génétique. C'est lui qui contient, sous forme codée, les instructions nécessaires à la synthèse des protéines, donc au fonctionnement et à la spécificité de chaque cellule.

Structure et principes de codage :

• L'ADN est constitué de deux brins complémentaires enroulés en double hélice.

• Chaque brin est formé d'une succession de nucléotides, dont les bases azotées assurent l'appariement selon une règle stricte :

  • A (adénine) ↔ T (thymine)

  • C (cytosine) ↔ G (guanine)

• Ces bases représentent l'alphabet du code génétique.

• L'ordre (ou enchaînement) de ces bases sur l'ADN constitue l'information génétique propre à chaque gène.

Rôle :

L'ADN :

• Stocke les instructions de fabricationdes protéines ;

• Transmet fidèlement cette information lors de la division cellulaire ;

• Dirige indirectement l'activité cellulaire en déterminant les protéines produites.

En résumé : L'ADN = Mémoire et plan de construction des protéines.

b) Les ARN — Messagers et acteurs de la synthèse protéique

Les ARN (acides ribonucléiques) sont les intermédiaires entre l'ADN et les protéines.

Structure générale

• LesARN sont monocaténaires (constitués d'un seul brin).

• Le sucre du nucléotide est le ribose.

• La base thymine (T) de l'ADN est remplacée par l'uracile (U).

• Les quatre bases de l'ARN sont donc : A, U, C, G.

Les trois grands types d'ARN :

1. L'ARN messager (ARNm)

   • Produit dans le noyau à partir de l'ADN lors de la transcription.

   • Transporte le message génétique vers le cytoplasme.

   • Chaque molécule d'ARNm contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine précise.

   • La séquence de l'ARNm est divisée en codons, c'est-à-dire des groupes de trois nucléotides successifs.

   • Chaque codon correspond à un acide aminé dans la future protéine.

   • Exemple : un gène = un ARNm = une protéine.

2. L'ARN ribosomal (ARNr)

   • C'est un type d'ARN structural, qui s'associe à une cinquantaine de protéines pour former les ribosomes.

   • Il constitue l'ossature du ribosome et participe activement à la traduction du message génétique.

   • Les ribosomes sont donc composés de deux sous-unités (une grande et une petite), chacune contenant de l'ARNr.

3. L'ARN de transfert (ARNt)

   • Joue un rôle d'adaptateur entre le message génétique et la chaîne d'acides aminés en cours de formation.

   • Chaque ARNt transporte un acide aminé spécifique vers le ribosome.

   • Il reconnaît le codon correspondant sur l'ARNm grâce à une séquence complémentaire appelée anticodon.

   • Exemple : si le codon est UGG, l'anticodon correspondant sera ACC.

   • Ainsi, les ARNt assurent le bon positionnement des acides aminés pendant la synthèse protéique.

En résumé :

• ARNm = message

• ARNr = structure du ribosome

• ARNt = transporteur d'acides aminés

c) Les ribosomes — Usines à protéines

Les ribosomes sont les sites de la traduction, c'est-à-dire les lieux où les protéines sont effectivement fabriquées.

Structure :

• Chaque ribosome est formé de :

  • Deux sous-unités de taille différente (une grande et une petite) ;

  • De l'ARN ribosomal (ARNr) ;

  • Et d'une cinquantaine de protéines.

• Plusieurs ribosomes peuvent se regrouper sur un même ARNm pour former un polysome (ou polyribosome), permettant la production simultanée de plusieurs copies d'une même protéine.

Fonction :

• Le ribosome lit le message codé par l'ARN messager.

• Il assemble les acides aminés dans l'ordre dicté par les codons de l'ARNm, formant ainsi la chaîne polypeptidique (structure primaire de la protéine).

En d'autres termes : Les ribosomes sont les machines traductrices qui décodent le langage génétique pour construire les protéines.

3. Mécanismes de la synthèse protéique

La synthèse des protéines correspond à l'ensemble des processus qui permettent de convertir l'information génétique portée par l'ADN en chaîne d'acides aminés formant une protéine fonctionnelle.

Chez les cellules eucaryotes, cette synthèse se déroule en trois grandes étapes successives :

1. La transcription (dans le noyau)

2. La maturation (dans le noyau)

3. La traduction (dans le cytoplasme)

a) La transcription

La transcription est le processus par lequel l'information génétique contenue dans l'ADN est copiée sous forme d'ARN prémessager (ARNprém).

Elle a lieu dans le noyau.

Principe

• Un seul des deux brins de l'ADN, appelé brin matrice, sert de modèle à la synthèse de l'ARNprém.

• L'appariement des bases se fait selon des règles complémentaires spécifiques :

  • A (de l'ADN) ⇒ U (de l'ARN)

  • T ⇒ A

  • C ⇒ G

  • G ⇒ C

Le rôle de l'ARN polymérase II

L'enzyme ARN polymérase II est responsable de la transcription :

1. Elle écarte les deux brins d'ADN en déroulant localement la double hélice.

2. Elle assemble les nucléotides libres pour former le brin d'ARNprém, en suivant la séquence du brin matrice.

3. Elle progresse le long de l'ADN du bout 3' vers le 5', tandis que le nouvel ARN est synthétisé dans le sens 5' ⇒ 3'.

4. Une fois le site de terminaison atteint, l'enzyme libère la molécule d'ARN prémessager.

💡 En résumé : 1 gène ⇒ 1 ARNprémessager ⇒ 1 protéine potentielle.

b) La maturation

Chez les eucaryotes, l'ARN prémessager doit subir plusieurs modifications avant de devenir un ARN messager (ARNm) fonctionnel.

Ce processus se déroule entièrement dans le noyau.

Les principales étapes de la maturation :

1. Modification des extrémités :

   • Coiffe en 5' : ajout d'une guanosine triphosphate (GTP) à l'extrémité 5'. ⇒ Sert de signal de reconnaissance pour les ribosomes.

   • Queue poly-A en 3' : ajout d'une suite de 150 à 200 adénines. ⇒ Facilite la stabilité et le transport de l'ARNm vers le cytoplasme.

2. Épissage (splicing) :

   • L'ARN prémessager contient des segments codants appelés exons, et des segments non codants appelés introns.

   • Les introns sont éliminés, puis les exons sont recollés pour former une séquence continue d'instructions codantes.

L'épissage permet à un même gène de produire plusieurs ARNm différents, donc plusieurs protéines selon le contexte (épissage alternatif).

c) La traduction

La traduction est le processus par lequel l'information portée par l'ARNm est interprétée pour assembler une chaîne d'acides aminés, autrement dit une protéine.

Elle se déroule dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.

Chaque codon (suite de trois nucléotides) de l'ARNm correspond à un acide aminé précis. Ce code est universel et non chevauchant.

Les étapes de la traduction :

1. Phase d'initiation

• La petite sous-unité du ribosome se fixe à l'extrémité 5' de l'ARNm.

• Le codon d'initiation (AUG) marque le début de la traduction.

• Un ARNt d'initiation, portant l'anticodon UAC et l'acide aminé méthionine (Met), s'apparie au codon AUG.

• La grande sous-unité du ribosome s'attache alors à la petite, formant le complexe d'initiation complet.

• ⇒ L'ARNt-Met se positionne sur le site P du ribosome.

2. Phase d'élongation

• Le deuxième ARNt se fixe au site A du ribosome, en reconnaissant le codon suivant sur l'ARNm.

• Une liaison peptidique se forme entre la méthionine et le nouvel acide aminé.

• Le ribosome avance le long de l'ARNm : l'ARNt vide quitte le site P, le nouvel ARNt (portant la chaîne en cours d'élongation) passe du site A au site P, et un autre ARNt entre au site A.

• Ce cycle se répète, allongeant progressivement la chaîne polypeptidique.

3. Phase de terminaison

• Lorsque le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA), aucun ARNt ne correspond à ce codon.

• Une protéine spécifique, appelée facteur de terminaison, se fixe alors sur le site A.

• Elle provoque la libération de la chaîne polypeptidique et la dissociation des deux sous-unités du ribosome.

• La protéine nouvellement synthétisée subira ensuite un repliement tridimensionnel et d'éventuelles modifications post-traductionnelles.

Plusieurs ribosomes peuvent traduire simultanément un même ARNm, formant un polysome, ce qui permet une production rapide et efficace de protéines.

d) Conséquence sur le fonctionnement cellulaire

La synthèse des protéines est l'aboutissement de l'expression génétique: ADN ⇒ ARNm ⇒ Protéine ⇒ Fonctionnement cellulaire.

Une modification dans la séquence de l'ADN peut altérer la structure d'une protéine :

• Si la séquence est correcte:
  ⇒ Bonne protéine ⇒ Structure fonctionnelle ⇒ Bon fonctionnement de la cellule.

• Si la séquence est erronée :
  ⇒ Protéine anormale ⇒ Structure défectueuse ⇒ Altération de la fonction cellulaire ⇒ Maladie génétique possible.