Synthèse des protéines
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2008-07-04T18:17:49Z
PierreEG
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[[Image:protéines.png|right|thumb|300px|Procédé général]]
La '''synthèse des protéines''' est le processus par lequel une [[cellule (biologie)|cellule]] assemble une [[protéine|chaîne protéique]] en combinant des [[acide aminé|acides aminés]] isolés présents dans son [[cytoplasme]], guidé par l'information contenue dans l'[[Acide désoxyribo-nucléique|ADN]]. Elle se déroule en deux étapes au moins : la '''[[transcription (biologie)|transcription]]''' de l'[[Acide désoxyribo-nucléique|ADN]] en [[Acide ribonucléique|ARN]] messager et la '''[[traduction (biologie)|traduction]]''' de l'ARN messager en une protéine.
Chez les [[eucaryote]]s, il existe une étape intermédiaire, la maturation de l'ARN prémessager, qui se passe dans le noyau. L'ARN prémessager subit l'ajout d'une coiffe de 7-méthylguanosine triphosphate à l'extrémité 5' et d'une queue poly-A (50 à 250 nucléotides d'adénine) à l'extrémité 3'. Par la suite, l'ARN prémessager subit une excision de ses introns (les parties du gène qui ne codent pas un polypeptide) et l'épissage de ses exons (les brins codant). L'ARN prémessager est maintenant à maturité et prend le nom d'ARN messager. La transcription se déroule dans le noyau, la traduction, dans le [[réticulum endoplasmique]]. Une dernière étape de [[glycosylation]] (liaison covalente d'oses aux protéines) a lieu dans l'[[appareil de Golgi]]. Chez les [[procaryote]]s, les deux étapes ont lieu dans le cytoplasme et peuvent être simultanées, la traduction débutant alors que la transcription n'est pas encore achevée. Cette simultanéité donne lieu à un important type de régulation de la traduction.
==Première approche : mécanisme global==
===Mise en évidence du mécanisme global de synthèse (pulse-chase) ===
Il est légitime de se demander comment les biologistes ont découvert la succession d'étapes qui mène à l'achèvement des protéines. La technique principale est celle du [[pulse-chase]] ou pulse-chasse, qui se déroule en quatre étapes principales.
On prélève à intervalles réguliers des cellules de ce nouveau milieu ; on dispose alors de deux techniques d'exploitation de cette expérience. La première est l'autoradiographie ; la seconde passe par une ultracentrifugation et donne une meilleure précision dans les résultats.
On prépare une coupe de la cellule, par fixation puis découpage au microtome. Sur la plaquette obtenue, on dépose un film photographique contenant des grains d'argent, et on laisse le tout reposer quelques semaines à l'obscurité. Les électrons issus de la désintégration des noyaux radioactifs assimilés par la cellule réduisent les ions Ag<sup>+</sup> en grains noirs d'argent, donnant ainsi une « photographie » de la localisation de la radioactivité cellulaire. On peut ainsi retracer, par observation de lames minces à temps de « chasse » différents, le trajet cellulaire des protéines lors de leur synthèse. Cependant les électrons de la lame mince peuvent marquer la plaque photographique assez loin de leur zone d'émission (précision de l'ordre du demi-micromètre). Ainsi, on ne peut pas savoir par exemple, si la radioactivité dans un organite est à l'intérieur ou éventuellement juste à l'extérieur de ses parois.
On centrifuge à haute vitesse chaque prélèvement de cellules du second milieu. On obtient ainsi, après plusieurs centrifugations successives à des accélérations croissantes, différentes fractions de cellule, classées suivant leur masse. On connaît la correspondance entre les divers organites ([[réticulum endoplasmique]], [[appareil de Golgi]], [[noyau (biologie)|noyau]]) et les fractions après centrifugations. Ainsi, si on mesure la radioactivité de chaque fraction, on peut savoir dans quel organite les acides aminés marqués se trouvaient au moment du prélèvement. On en déduit des courbes de répartition de radioactivité en fonction du temps pour chaque compartiment cellulaire, ce qui permet de retrouver le trajet des acides aminés nouvellement assemblés en protéines.
===Complémentarité des bases azotées===
Il est important de savoir, avant de procéder, qu'il existe une complémentarité entre les bases azotées de l'ADN et de l'ARN. C'est cette complémentarité, due à des [[Liaison hydrogène|liaisons hydrogène]], qui permet la réplication, la transcription et la traduction des acides nucléiques.
Il existe 5 [[bases azotées]] :
*[[Adénine]] (A)
*[[Guanine]] (G)
*[[Thymine]] (T) On ne retrouve T que dans l'ADN
*[[Cytosine]] (C)
*[[Uracile]] (U) On ne retrouve U que dans l'ARN
A et G sont des [[purine]]s (2 cycles)<br>
T, C et U sont des [[pyrimidine]]s (1 cycle)<br>
A et T sont complémentaires<br>
G et C sont complémentaires<br>
A et U sont complémentaires<br>
La transcription et la traduction utilisent cette complémentarité lors de la création d'ARN et de l'approche de l'ARN<sub>t</sub>.
==Transcription de l'ADN==
{{Article détaillé|transcription (biologie)}}
[[Image:transcriptionARN.png|right|thumb|300px|Processus de transcription de l'ADN]]
La première étape de la synthèse des protéines est la transcription d'un [[gène]] de l'[[Acide désoxyribonucléique|ADN]] en une molécule d'ARN messager ([[ARNm|ARN<sub>m</sub>]] ou acide ribonucléique messager). L'étape se déroule à l'intérieur même du [[noyau (biologie)|noyau]] d'une cellule [[eucaryote]] et dans le [[cytoplasme]] des [[procaryote]]s. Cette différence va avoir des conséquences importantes sur le traitement de l'ARN synthétisé. L'ADN est une molécule constituée d'une succession de [[nucléotide]]s. Aucune particularité physique ne différencie un [[gène]] d'une portion non codante de l'organisme. Le repérage des gènes le long de la molécule d'ADN (et d'une manière générale toute information de régulation le long de la chaîne d'ADN) va se faire de la même façon que celui du repérage des fichiers sur une bande magnétique : des marquages consistant en une séquence particulière de [[nucléotide]]s vont indiquer le début du gène. Ces marques spéciales sont appelées ''séquences consensus'', il ne s'agit en effet pas de séquences exactes mais de séquences approchées d'une séquence moyenne mais différant seulement par quelques paires de bases. Les deux utilisées pour repérer le début d'un gène sont les boîtes '''CAAT''' et '''TATA''', du nom des nucléotides formant le cœur de la séquence moyenne et situées dans une zone précédant le gène appelée ''promoteur'' car elle initie la transcription du gène.
La transcription consiste à faire une «copie de travail» de l'ADN. L'ADN est une molécule unique dans la cellule. Outre le fait que la synthèse d'un ARN intermédiaire permet de limiter les dommages de l'ADN par suite de trop de manipulations, cela permet de multiplier les copies disponibles pour la phase de traduction et donc de synthétiser la [[protéine]] beaucoup plus rapidement.
La synthèse de l'ARN fait intervenir un ensemble protéique très complexe, l'ARN polymérase. La première étape de la transcription est la reconnaissance du gène à transcrire. Cette étape fait intervenir des mécanismes variés qui dépendent de la protéine à transcrire, mais qui reposent tous sur le principe d'une protéine spécifique du ou des gènes à transcrire, qui se fixe en un endroit précis de l'ADN, situé dans le promoteur. Cette protéine va servir de point d'ancrage au système ARN polymérase, cette phase n'ayant lieu naturellement que si les deux boîtes CAAT et TATA sont présentes. Ce complexe va parcourir la [[molécule]] d'[[Acide désoxyribonucléique|ADN]] pour la lire. Elle va tout d'abord dérouler la molécule d'ADN, puis séparer les deux brins, puis assembler les bases azotées en se servant du brin complémentaire comme matrice pour aboutir à la molécule d'ARN. Derrière elle, les deux brins se réassemblent et l'ADN se réenroule. Quand l'ARN polymérase rencontre le site de terminaison de gène, elle se sépare de l'ADN, et l'ARN est libéré de la chaîne d'ADN.
Chez les [[procaryote]]s, l'ARN peut être utilisé directement. La traduction va d'ailleurs commencer avant même que la transcription soit achevée. Chez les [[eucaryote]]s en revanche, l'ARN n'est pas directement utilisable. Il doit subir une maturation. Les [[gène]]s des eucaryotes ne sont pas des séquences d'ADN codantes continues du début à la fin du gène mais constituées de morceaux de séquences codantes (les [[exon]]s) séparées par des zones non codantes (les [[intron]]s). Cette séparation se fait lors de la [[maturation des ARNm]]. Pour obtenir une molécule d'ARN fonctionnelle, il faut donc tout d'abord enlever les introns et relier les exons les uns aux autres. Cette phase s'appelle l'[[épissage]] et met en jeu des mécanismes encore peu clairs. On peut noter au passage que les cellules peuvent décider de ne garder que certains exons sur l'ensemble disponible, ce choix différant selon le type cellulaire au sein d'un même organisme. Un gène unique permet donc de synthétiser plusieurs protéines selon les exons conservés dans l'ARN<sub>m</sub>. Par ailleurs, l'ARN est précédé d'une coiffe moléculaire en position 5' et se termine par une queue polyadénylée ; ces modifications ont pour but de protéger l'ARN d'une dégradation trop rapide dans le cytoplasme. L'ARN<sub>m</sub> va maintenant pouvoir être exporté du [[noyau (biologie)|noyau]] vers le [[cytoplasme]] via les pores nucléaires pour la phase suivante de la synthèse protéique : la traduction
...
===Un exemple de transcription===
Une molécule d'ADN est constituée de deux brins :
''le brin d'ADN non transcrit'' : A T A G C G T T C A G A A C T G A T A C G T A A
''le brin d'ADN transcrit'' : '''T A T C G C A A G T C T T G A C T A T G C A T T'''
''le brin d'ARN'' : '''A U A G C G U U C A G A A C U G A U A C G U A A'''
==Traduction de l'ARN<sub>m</sub>==
{{Article détaillé|Traduction (biologie)}}
[[Image:TraductionProt.png|right|thumb|300px|Processus de traduction de l'ARN en protéine]]
Une fois que le brin d'[[ARNm|ARN<sub>m</sub>]] a atteint le [[cytoplasme]], où a lieu la traduction, il se fixe à un [[ribosome]], composé d'une petite sous-partie et d'une grande sous-partie, qui va assembler une séquence d'[[Acide aminé|acides aminés]] selon les « instructions » du [[code génétique]] : chaque [[codon]] (groupe de 3 nucléotides de l'ARN<sub>m</sub>) correspond à un acide aminé, sauf 3 codons, appelés [[codon-stop|codons-stop]], qui provoquent l'arrêt de la traduction. Le codon AUG, appelé codon-initiateur, va permettre de commencer la traduction, comme son nom l'indique, en formant l'acide aminé méthionine, qui se détachera plus tard de la chaîne polypeptidique.
Le [[ribosome]] va parcourir le brin d'ARN<sub>m</sub> codon par codon et va par l'intermédiaire d'un ARN de transfert ([[ARNt|ARN<sub>t</sub>]]) ajouter un acide aminé à la protéine en cours de fabrication selon le codon lu. Une fois le [[codon-stop]] atteint, la protéine est complète: le ribosome se détache de la protéine et du brin d'ARN<sub>m</sub>, et la [[protéine]] est libérée dans l'organisme.
Le même filament d'ARN<sub>m</sub> peut servir à la fabrication simultanée de plusieurs molécules de protéines, lorsque plusieurs ribosomes s'en chargent. Avant d'être détruite, cette molécule participe en effet à la fabrication de 10 à 20 protéines.
Dès que la chaîne d'acides aminés est terminée, elle se détache du ribosome qui est alors disponible pour une nouvelle synthèse. S'entame alors le [[transport des protéines]], qui les mène hors de la cellule et dans le système sanguin ou encore à l'intérieur même de la cellule l'ayant synthétisé.
===Reprenons notre exemple===
''Le brin d'ARN messager est'' A U A G C G U U C A G A A C U G A U A C G U A A
''Les différents codons sont donc'' ''' AUA - GCG - UUC - AGA - ACU - GAU - ACG - UAA '''
''Les ARN de transfert se fixent'' UAU CGC AAG UCU UGA CUA UGC AUU
''par complémentarité et apportent'' | | | | | | | |
''les acides aminés appropriés'' '''Île Ala Phe Arg Thr Asp Thr X'''
Les ARN de transfert arrivent successivement avec pour anti-codon :
* AUU, AUC, AUA : il se forme l'acide aminé [[isoleucine]] (ISO)(Île)
* GCA, GCC, GCU: il se forme l'acide aminé [[alanine]] (ALA)(Ala)
* UUC, UUU : il se forme l'acide aminé [[phénylalanine]] (PHE)(Phe)
* CGG, CGA, CGC, CGU : il se forme l'acide aminé [[arginine]] (ARG)(Arg)
* ACG, ACA, ACC, ACU : il se forme l'acide aminé [[thréonine]] (THR)(Thr)
* GAC, GAU : il se forme l'acide aminé [[acide aspartique]] (ASP)(Asp)
* ACG, ACA, ACC, ACU : il se forme l'acide aminé [[thréonine]] (THR)(Thr)
* UGA, UAG, UAA : ces codons sont des codons stop (qui ne code donc aucun acide aminé). La chaine polypeptidique se détache du ribosome et la traduction est terminée.
==Sources==
* Neil A. Campbell et Jane B. Reece, ''[[Référence:Biologie (Campbell)|Biologie]]'', traduit par Richard Mathieu, Éd. Éditions du Renouveau Pédagogique Inc., Saint-Laurent (Québec), 3 mars 2004, 1400 pages, ISBN 2-7613-1379-8.
==Voir aussi==
===Liens internes===
[[Image:Transcription traduction.png|thumb|right|Transcription/Traduction : schéma global]]
* [[Cellule (biologie)|Cellule]]
* [[Protéine]]
* [[Génétique]] > [[Acide désoxyribo-nucléique|ADN]] > [[Gène]] > '''Synthèse des protéines''' > [[Acide ribonucléique|ARN]]
* [[Transcription (biologie)|Transcription]]
* [[Traduction (biologie)|Traduction]]
===Liens externes===
* Baptiste Deleplace (2003), [http://baballeweb.free.fr/_fichiers/sp.swf''La traduction''] (une approche ludique de la traduction de l'ARN m en chaîne polypeptidique).
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