Chapitre 3 : L’expression du patrimoine génétique

Thème 1 :La Terre dans l’univers , la vie et l’évolution du vivant

Chapitre 3 : L’expression du patrimoine génétique

L’ADN est une molécule informative, elle détient l’ensemble des informations nécessaires au fonctionnement cellulaire. Chez les organismes eucaryotes l’ADN est localisé dans le noyau de la cellule. La taille du génome humain est approximativement de 3,2 milliards de paires de nucléotides.

L’homme possède environ 30 000 gènes (soit à peine 13 000 de plus que la mouche du vinaigre (drosophile)) qui conduisent à la fabrication d’un nombre très élevé de protéines, molécules à l’origine des caractères cellulaires et des caractères d’une espèce.

Problèmes :

Quel est le rôle précis de l’information portée par un gène ?

Quels sont les processus permettant le passage d’une molécule d’ADN à la séquence d’une protéine ?

Comment expliquer le nombre élevé de protéines produites par les cellules ?

A. La relation ADN/protéine

1. Les protéines, macromolécules clés de la cellule.

Les protéines sont des molécules indispensables à la structure et au fonctionnement des cellules. Une protéine est constituée par un ou plusieurs polypeptides. Chaque polypeptide est un polymère d’acides aminés, c'est-à-dire une molécule construite par la répétition de petites molécules liées entre elle, les acides aminés.

Il existe 20 acides aminés différents pour construire toutes les protéines du vivant.

2. La séquence des nucléotides code la séquence des acides aminés d’une protéine.

Des expériences historiques ont démontré que c’est la séquence des nucléotides de la molécule d’ADN (un gène) qui impose la séquence, l’ordre des acides aminés qui constituent la protéine. Il s’agit du concept un gène, une protéine (remis en question par l’épissage alternatif, voir plus loin).

Une mutation, c'est-à-dire un changement dans la séquence des nucléotides provoque, un changement dans la séquence de la protéine, on parle de la colinéarité gène/protéine

Chez les eucaryotes, l’ADN est toujours localisé dans le noyau et la synthèse des protéines se réalise dans le cytoplasme.

Comment l’information génétique enfermée dans le noyau peut-elle conduire à une synthèse cytoplasmique des protéines ?

B. Les étapes de la synthèse des protéines

La synthèse cytoplasmique des protéines et la localisation nucléaire de l’ADN imposent la mise en place d’un intermédiaire entre l’ADN et les protéines.

1. La nécessité d’un intermédiaire ; l’ARNm

Chez les eucaryotes, il existe donc une molécule intermédiaire capable de porter l’information du noyau vers le cytoplasme. Cette molécule est appelée ARNm (Acide Ribonucléique messager).

L’étape qui conduit à partir d’un gène à la synthèse d’un ARN m est appelée la transcription. Cette étape a lieu dans le noyau.

Lors de la transcription un seul brin de la molécule d’ADN est copié en ARNm au niveau du gène. Le brin qui sert de matrice (modèle) pour la synthèse de l’ARNm est appelé le brin transcrit. La molécule d’ARN obtenue est en fait une copie conforme (Thymine remplacée par l’uracile) de l’autre brin de la molécule d’ADN (gène) que l’on nomme le brin non transcrit ou brin codant.

Exemple : ADN TACTGGCCTT brin transcrit

ATGACCGGAA brin codant

ARN m AUGACCGGAA

La transcription consiste en une polymérisation de nucléotides particuliers dont la séquence est complémentaire du brin transcrit. Cette polymérisation repose sur la complémentarité des bases azotées. La transcription nécessite l’intervention d’un complexe enzymatique, l’ARN polymérase capable d’ouvrir la molécule d’ADN (rupture des liaisons faibles), de lire le brin transcrit et de polymériser la molécule d’ARNm (40 nucléotides/seconde).

Un gène transcrit conduit à la synthèse de nombreux ARNm identiques, car plusieurs ARN polymérases travaillent à la suite au niveau d’un gène (voir schéma d’interprétation du TP). Il y a donc un phénomène d’amplification lors de la transcription.

Remarque : Un gène doit comporter sous forme de séquences particulières de nucléotides, des repères de début de gène et de fin de gène qui permettent aux enzymes de transcrire correctement un gène.

L’ARNm obtenu est proche de l’ADN, il présente la même séquence que le brin codant, cependant :

Le sucre (ose) des nucléotides est un ribose (sucre en C5) et non un désoxyribose.

L’ARNm ne contient pas de thymine, cette base azotée est remplacée par l’uracile, base très proche chimiquement.

L’ARNm est une molécule monocaténaire et non bicaténaire, mobile et dont l’existence est temporaire (quelques heures)

L’ARNm synthétisé dans le noyau, gagne le cytoplasme par les pores nucléaires.

Dans le cytoplasme cette molécule messager va être lue et traduite en une séquence d’acides aminés, c’est à dire en une protéine. Quelles sont les modalités de la traduction de l’ARN m en protéines ?

2. La traduction de l’ARNm en protéine

La transformation d’une molécule d’ARNm en une chaîne polypeptidique est appelée

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