Les
acides
nucléiques (ADN et ARN) sont des macromolécules biologiques formées
de phosphore (P), de carbone, d'hydrogène,
d'oxygène et d'azote. Ces atomes sont réuunis au sein des acides nucléiques
dans des structures appelées nucléotides; chaque nucléotide se
compose d'un sucre pentose (désoxyribose pour
l'ADN et ribose pour l'ARN), d'une base azotée (adénine, cytosine, guanine
et thymine ou uracile) et d'un groupe phosphate.
Conservés au fil
de l'évolution de tous les organismes vivants, les acides nucléiques
stockent et transmettent des informations héréditaires. Ils portent le
schéma génétique d'une cellule et contiennent des instructions pour
le fonctionnement de la cellule.
Les deux principaux
types d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et
l'acide ribonucléique (ARN).
Le flux d'informations
génétiques est généralement : ADN ARN protéine.
L'ADN dicte la structure de l'ARNm dans un processus connu sous le nom
de transcription, puis l'ARN dicte la structure de la protéine
dans un processus connu sous le nom de traduction. Ceci s'applique
à tous les organismes; cependant, des exceptions à la règle se produisent
avec les virus, dont certains, dépourvus d'ADN,
ont leur génome porté par leur ARN.
-
ADN et ARN
L'ADN et l'ARN sont
les macromolécules les plus importantes pour assurer la continuité du
vivant.
L'ADN.
L'ADN contient,
sous la forme de séquences particulières de nucléotides appelées des
gènes,
les instructions d'assemblage des sĂ©quences d'acides aminĂ©s menant Ă
la synthèse des protéines. Il renferme aussi
le plan génétique de la cellule qui est transmise du parent à la progéniture
via la division cellulaire.
L'ADN est le matériel
génétique présent dans tous les organismes vivants, allant des bactéries
unicellulaires aux mammifères multicellulaires.
On le trouve dans le noyau des eucaryotes et dans les organites, les chloroplastes
et les mitochondries. Chez les procaryotes (archées, bactéries), l'ADN
n'est pas enfermé dans une enveloppe membraneuse.
L'ADN a une structure
double hélicoïdale avec les deux brins s'étendant dans des directions
opposées (antiparallèles), reliés par des liaisons
hydrogène et complémentaires l'un de l'autre.
Dans l'ADN, les purines
(adénine et guanine) s'associent aux pyrimidines (cytosine et thymine)
: les paires d'adénine avec la thymine (A-T) et les paires de cytosine
avec la guanine (C-G).
On donne le nom de
génome
à l'ensemble du contenu génétique d'une cellule, et l'étude des génomes
s'appelle la gĂ©nomique. Dans les cellules eucaryotes (contrairement Ă
ce que l'on observe chez les procaryotes), l'ADN forme un complexe avec
des protéines (les histones), pour former la chromatine,
qui est la substance des chromosomes eucaryotes.
Un chromosome peut
contenir des dizaines de milliers de gènes. De nombreux gènes contiennent
les informations nécessaires à la fabrication de produits protéiques;
d'autres gènes codent les produits de l'ARN. L'ADN contrôle toutes les
activités cellulaires en activant ou désactivant les gènes.
-
Compactage
d'un chromosome eucaryote. - Chaque chromosome
renferme
une longue molécule d'ADN, enroulée à des histones. Les
nucléosomes
contiennent environ 200 paires de nucléotides.
L'ARN.
Dans l'ARN, l'uracile
remplace la thymine pour s'associer à l'adénine (U-A). L'ARN diffère
Ă©galement de l'ADN en ce qu'il est Ă simple brin et a de nombreuses formes,
telles que l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomal (ARNr) et l'ARN de transfert
(ARNt) qui participent tous à la synthèse des protéines. Les microARN
(miARN) régulent l'utilisation de l'ARNm.
Les molécules d'ADN
ne quittent jamais le noyau mais utilisent plutôt un intermédiaire pour
communiquer avec le reste de la cellule. Cet intermédiaire est l'autre
type d'acide nucléique, l'ARN, en l'occurence l'ARN messager (ARNm), qui
est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. D'autres
variétés d'ARN : l'ARNt et le microARN, similaires à l'ARN, sont
impliqués eux aussi dans la synthèse des protéines et la régulation
de celles-ci.
-
Résumé
des caractéristiques de l'ADN et de l'ARN
|
ADN |
ARN |
Fonction |
Porte
l'information génétique |
Est
impliqué dans la synthèse des protéines |
Emplacement |
Reste
dans le noyau cellulaire |
Quitte
le noyau |
Structure |
Double
hélice |
Généralement
Ă simple brin |
Sucre |
DĂ©soxyribose |
Ribose |
Pyrimidines |
Cytosine,
thymine |
Cytosine,
uracile |
Purines |
Adénine,
guanine |
Adénine,
guanine |
Les nucléotides.
L'ADN et l'ARN sont
constitués de monomères appelés nucléotides. Les nucléotides
se combinent les uns aux autres pour former un polynucléotide, ADN ou
ARN. Chaque nucléotide a trois composantes : une base azotée, un sucre
pentose (cinq atomes de carbone) et un groupe phosphate.
Chaque base azotée d'un nucléotide est attachée à une molécule de
sucre, qui elle-même est attachée à un ou plusieurs groupes phosphate.
Les
bases azotées.
Les bases azotées,
composants importants des nucléotides, sont des molécules organiques
et sont ainsi nommées parce qu'elles contiennent du carbone et de l'azote.
Ce sont des bases car elles contiennent un groupe amino qui a le potentiel
de se lier à un hydrogène supplémentaire, diminuant ainsi la concentration
en ions hydrogène dans son environnement, le rendant plus basique.
-
Nucléotides.
- Un nucléotide possède trois composants: une base azotée, un sucre
pentose et un ou plusieurs groupes phosphate. En biologie moléculaire,
les bases azotées sont simplement dé"signées par leurs symboles A, T,
G, C et U. L'ADN contient A, T, G et C tandis que l'ARN contient A, U,
G et C. Les rĂ©sidus de carbone dans le pentose sont numĂ©rotĂ©s de 1 'Ă
5' (le prime ' distingue ces résidus de ceux de la base, qui sont numérotés
sans utiliser de '). La base est attachée à la position 1' du ribose
et le phosphate est attaché à la position 5'. Lorsqu'un polynucléotide
est formé, le phosphate 5 'du nucléotide entrant se fixe au groupe hydroxyle
3' à l'extrémité de la chaîne de croissance. On trouve deux types de
pentose dans les nucléotides, le désoxyribose (dans l'ADN) et le ribose
(dans l'ARN). Le désoxyribose a une structure similaire au ribose, mais
il a un H au lieu d'un OH en position 2'. Les bases peuvent être divisées
en deux catégories: les purines et les pyrimidines. Les purines ont une
structure Ă double cycle et les pyrimidines ont un cycle unique. |
Chaque nucléotide
de l'ADN contient, on l'a dit, l'une des quatre bases azotées possibles
: l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T).
•
L'adénine et la guanine sont rangées parmi les purines. La structure
primaire d'une purine est constituée de deux cycles carbone-azote.
• La cytosine,
la thymine et l'uracile sont classées parmi les pyrimidines qui
ont un seul cycle carbone-azote comme structure principale.
Chacun de ces cycles
basiques carbone-azote a différents groupes fonctionnels qui lui sont
attachés.
Les
sucres et la liaison phosphodiester.
Le sucre pentose
dans l'ADN est le désoxyribose, et dans l'ARN, le sucre est le ribose.
La différence entre ces sucres est la présence du groupe hydroxyle sur
le deuxième atome de carbone du ribose et de l'atome d'hydrogène sur
le deuxième atome de carbone du désoxyribose.
Les atomes de carbone
de la molécule de sucre sont numérotés comme 1' (lire "un prime"), 2',
3 ', 4' et 5 '. Le résidu phosphate est attaché au groupe hydroxyle de
l'atome de carbone 5' d'un sucre et au groupe hydroxyle de l'atome de carbone
3' du sucre du nucléotide suivant, qui forme une liaison phosphodiester
5'-3 '.
La liaison phosphodiester
n'est pas formée par une simple réaction de déshydratation comme les
autres liaisons reliant les monomères dans les macromolécules : sa formation
implique l'élimination de deux groupes phosphate. Un polynucléotide peut
avoir des milliers de telles liaisons phosphodiester.
Structure et fonction
de l'ADN
Base historique de
la compréhension moderne.
L'ADN a d'abord
été isolé vers 1870 par Friedrich Miescher, qui l'a appelé nucléine
parce qu'il Ă©tait issu de noyaux des globules blancs ( Le
sang). Les expériences, en 1928, de Frederick Griffith avec des souches
de Streptococcus pneumoniae ont fourni le premier indice que l'ADN pourrait
ĂŞtre un principe transformant.
Avery, MacLeod et
McCarty (1944) ont ensuite prouvé que l'ADN est effectivement requis pour
la transformation des bactéries.
Des expériences
ultérieures par Hershey et Chase (1952) utilisant le bactériophage T2
ont prouvé que l'ADN constitue le matériel génétique.
Erwin Chargaff a
constaté que le rapport de A = T et C = G, et que la teneur en pourcentage
de A, T, G et C est différent pour différentes espèces.
Le modèle actuellement
accepté de la structure à double hélice de l'ADN a été publié en
1953 par Francis Crick et James Watson, sur la base des travaux de
Maurice Wilkins et Rosalind Franklin.
-
Double
hélice de l'ADN. - L'ADN se présente sous la forme d' une double
hélice antiparallèle. L'épine dorsale phosphatée (indiquée par les
lignes courbes) se situe à l'extérieur et les bases azotées à l'intérieur.
Chaque base d'un brin interagit via une liaison hydrogène avec une base
du brin opposé.
Crédit : Jerome Walker et Dennis
Myts. |
Structure en double
hélice de l'ADN.
Le diamètre de
la double hélice, 2 nm, est uniforme partout. Le sucre et le phosphate
se trouvent à l'extérieur de l'hélice, formant l'épine dorsale de l'ADN.
Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme les marches d'un
escalier, par paires; les paires sont liées les unes aux autres par des
liaisons hydrogène. Chaque paire de bases de la double hélice est séparée
de 0,34 nm de la paire de bases suivante. Un tour de l'hélice compte
dix paires de bases.
Les deux brins de
l'hélice courent dans des directions opposées, ce qui signifie que l'extrémité
carbone 5' d'un brin fera face à l'extrémité carbone 3' de son brin
correspondant. Ceci est appelé orientation antiparallèle. Cette
orientation est importante pour la réplication de l'ADN et dans de nombreuses
interactions avec les acides nucléiques.
Seuls certains types
d'appariement de base sont autorisés. Par exemple, une certaine purine
ne peut être associée qu'à une certaine pyrimidine. Cela signifie que
A peut être associé à T et que G peut être associé à C. En d'autres
termes, les brins d'ADN sont complémentaires les uns des autres. Si la
séquence d'un brin est AATTGGCC, le brin complémentaire aurait la séquence
TTAACCGG.
-
Complémentarité
des bases azotées. - Dans une molécule d'ADN, les deux brins sont
antiparallèles l'un Ă l'autre de sorte qu'un brin s'Ă©tend de 5' 'Ă
3' et l'autre de 3 'Ă 5'. L'Ă©pine dorsale phosphatĂ©e est situĂ©e Ă
l'extérieur et les bases sont au milieu. L'adénine forme des liaisons
hydrogène (ou paires de bases) avec la thymine et les paires de bases
guanine avec la cytosine. |
La réplication
de l'ADN
Pendant la division
cellulaire, chaque cellule fille reçoit une copie de l'ADN par un processus
appelé réplication ou duplication de l'ADN. Comme l'a montré
une expérience de Matthew Meselson et Franklin Stahl en 1958, lors de
la réplication de l'ADN chacun des deux brins d'ADN parentaux sert de
modèle pour le nouvel ADN à synthétiser; après réplication, chaque
ADN Ă double brin comprend un brin parental ou "ancien" et un "nouveau"
brin. C'est ce que l'on a appelé la réplication semi-conservatrice.
Diverses enzymes
interviennent dans la facilitation de cette réplication (hélicase, primase,
ADN-polymérase, et ADN-ligase, cette dernière intervenant spécialement
dans la réparation des erreurs de réplication et dans la recombinaison
génétique).
RĂ©plication
de l'ADN chez les procaryotes.
La plupart des procaryotes
contiennent un seul chromosome circulaire. La réplication chez les procaryotes
commence à partir d'une séquence trouvée sur ce chromosome appelée
l'origine de la réplication - le point auquel l'ADN s'ouvre. Une enzyme,
l'hélicase, ouvre la double hélice d'ADN, entraînant la formation de
la fourche de réplication. Les protéines de liaison simple brin se lient
à l'ADN simple brin près de la fourche de réplication pour garder la
fourche ouverte. Une autre enzyme,
la primase, synthétise une amorce d'ARN pour initier la synthèse par
l'ADN-polymérase, qui ne peut ajouter des nucléotides que dans la direction
5 'à 3'. Un brin est synthétisé en continu dans le sens de la fourche
de réplication; c'est ce qu'on appelle le premier volet. L'autre brin
est synthétisé dans une direction éloignée de la fourche de réplication,
en de courts segments d'ADN appelés
fragments d'Okazaki. Ce brin
est connu sous le nom de brin retardé. Une fois la réplication
terminée, les amorces d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN
et l'ADN est scellé avec de l'ADN-ligase, ce qui crée des liaisons phosphodiester
entre le 3'-OH d'une extrémité et le phosphate 5 'de l'autre brin.
-
Une
fourche de réplication est formée lorsque l'hélicase sépare les
brins d'ADN à l'origine de la réplication. L'ADN a tendance s' enrouler
davantage devant la fourche de réplication. La topoisomérase se casse
et réforme l'épine dorsale du phosphate de l'ADN en avant de la fourche
de réplication, soulageant ainsi la pression qui résulte de ce super-enroulement.
Les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN simple brin pour
empêcher l'hélice de se reformer. La primase synthétise une amorce d'ARN.
L'ADN polymérase III utilise cette amorce pour synthétiser le brin d'ADN
fils. Sur le brin principal, l'ADN est synthétisé en continu, tandis
que sur le brin retardé, l'ADN est synthétisé en courtes séquences
appelées fragments d'Okazaki. L'ADN-polymérase I remplace l'amorce d'ARN
par de l'ADN. L'ADN ligase scelle les espaces entre les fragments d'Okazaki,
reliant les fragments en une seule molécule d'ADN. (crédit : Mariana
Ruiz Villareal). |
RĂ©plication
de l'ADN chez les eucaryotes.
La réplication
chez les eucaryotes commence à plusieurs origines. Le mécanisme est assez
similaire à celui observé chez les procaryotes. Une amorce est nécessaire
pour initier la synthèse, qui est ensuite étendue par l'ADN-polymérase
lorsqu'elle ajoute des nucléotides un par un à la chaîne en croissance.
Le brin principal est synthétisé en continu, tandis que le brin retardé
est synthétisé en courtes séquences, les fragments d'Okazaki. Les amorces
d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN; l'ADN reste un brin
continu en liant les fragments d'ADN avec l'ADN-ligase. Les extrémités
des chromosomes posent un problème car la polymérase est incapable de
les étendre sans amorce. La télomérase, une enzyme avec une matrice
d'ARN intégrée, prolonge les extrémités en copiant la matrice d'ARN
et en étendant une extrémité du chromosome. L'ADN-polymérase peut ensuite
étendre l'ADN à l'aide de l'amorce. De cette façon, les extrémités
des chromosomes sont protégées.
La
réparation de l'ADN.
L'ADN-polymérase
peut faire des erreurs lors de l'ajout de nucléotides. Il modifie l'ADN
en relisant chaque base nouvellement ajoutée. Les bases incorrectes sont
supprimées et remplacées par la base correcte, puis une nouvelle base
est ajoutée. La plupart des erreurs sont corrigées au cours de la réplication,
bien que lorsque cela ne se produit pas, le mécanisme de réparation des
disparités sot utilisé. Les enzymes de réparation des mésappariements
reconnaissent la base mal incorporée et l'extraient de l'ADN, en la remplaçant
par la base correcte. Dans encore un autre type de réparation, la réparation
par excision nucléotidique, la base incorrecte est supprimée avec quelques
bases à l'extrémité 5 'et 3', et celles-ci sont remplacées en copiant
la matrice à l'aide de l'ADN-polymérase. Les extrémités du fragment
nouvellement synthétisé sont attachés au reste de l'ADN à l'aide de
l'ADN-ligase, ce qui crée une liaison phosphodiester.
La plupart des erreurs
sont ainsi corrigées, mais celles qui ne le sont pas peuvent entraîner
une mutation définie comme un changement permanent de la séquence
d'ADN. Les mutations peuvent ĂŞtre de plusieurs types, comme la substitution,
la suppression, l'insertion et la translocation. Des mutations peuvent
être induites ou se produire spontanément.
Les multiples visages
de l'ARN
L'acide ribonucléique,
ou ARN, est principalement impliqué dans le processus de synthèse des
protéines
sous la direction de l'ADN. L'ARN est généralement un simple brin et
est composé de ribonucléotides qui sont liés par des liaisons phosphodiester.
Un ribonucléotide dans la chaîne d'ARN contient du ribose (sucre pentose),
l'une des quatre bases azotées (A, U, G et C) et le groupe phosphate.
Il existe quatre
principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomal (ARNr),
l'ARN de transfert (ARNt) et le microARN (miARN).
L'ARN
messager.
Le premier, l'ARNm,
porte le message de l'ADN, qui contrôle toutes les activités cellulaires
dans une cellule. Si une cellule nécessite la synthèse d'une certaine
protéine, le gène de ce produit est activé et l'ARN messager est synthétisé
dans le noyau.
La séquence de base
de l'ARN est complémentaire de la séquence codante de l'ADN à partir
de laquelle elle a été copiée. Cependant, dans l'ARN, la base T est
absente et U est présente à la place. Si le brin d'ADN a une séquence
AATTGCGC, la séquence complémentaire de l'ARN est UUAACGCG.
Dans le cytoplasme,
l'ARNm interagit avec les ribosomes (structures Ă fonction catalytique,
composées d'ARN et de protéines) et d'autres machines cellulaires.
L'ARNm est lu selon
des séquences de trois bases appelées codons.
Chaque codon code un seul acide aminé. De cette façon, l'ARNm est lu
et le produit protéique est fabriqué.
L'ARN
ribosomal.
L'ARN ribosomal
(ARNr) est un constituant majeur des ribosomes sur lesquels l'ARNm se lie.
L'ARNr assure le bon alignement de l'ARNm et des ribosomes; l'ARNr du ribosome
a également une activité enzymatique (peptidyl-transférase) et catalyse
la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés alignés.
L'ARN
de transfert.
Composé généralement
de 70 à 90 nucléotides, l'ARN de transfert (ARNt) est l'un des plus petits
des quatre types d'ARN. Il transporte l'acide aminé approprié jusqu'au
site de synthèse des protéines. C'est l'appariement de bases entre l'ARNt
et l'ARNm qui permet à l'acide aminé correct d'être inséré dans la
chaîne polypeptidique.
-
Molécule
d'ARN de transfert ajoutant l'acide aminé phénylalanine à une chaîne
polypeptidique en formation. L'anticodon AAG se lie au codon UUC sur l'ARNm.
La phénylalanine, un acide aminé, est attachée à l'autre extrémité
de l'ARNt. |
Les
microARN.
Les microARNs (miARNs)
sont les plus petites molécules d'ARN et leur rôle implique la régulation
de l'expression des gènes en interférant avec l'expression de certains
messages d'ARNm. Les microARNs sont d'environ 20 à 25 nucléotides de
longueur. Contrairement à l'ARN messager (ARNm), qui est utilisé comme
modèle pour fabriquer des protéines, les microARNs ne codent pas pour
des protéines. Leur rôle principal est de réguler l'expression de certains
gènes en bloquant la traduction de l'ARNm en protéines ou en facilitant
la dégradation de l'ARNm.
Les microARNs sont
produits à partir de séquences spécifiques de l'ADN, transcrites sous
forme de précurseurs, appelés pri-miARNs, qui sont ensuite transformés
en pré-miARNs puis en microARNs matures. Une fois matures, les microARNs
s'associent à un complexe appelé RISC (RNA-induced silencing complex).
Ils se lient ensuite de manière spécifique à des régions complémentaires
de l'ARN messager cible. Si cette complémentarité est parfaite, cela
peut entraîner la dégradation de l'ARNm cible. Si la complémentarité
est imparfaite, ils inhibent la traduction de l'ARNm sans le dégrader,
ce qui empêche la production de la protéine.
Les microARNs régulent
une grande variété de processus biologiques. Ils interviennent dans la
régulation des gènes impliqués dans la croissance et le développement.
Ils jouent un rôle central dans la régulation de la division cellulaire
et de la mort cellulaire programmée (apoptose).
Une dérégulation des microARNs peut entraîner des maladies, notamment
le cancer, où certains microARNs peuvent agir comme des oncogènes (favorisant
la croissance tumorale) ou comme des suppresseurs de tumeurs.
Gènes et synthèse
des protéines
Selon l'hypothèse proposée
par Crick dès 1958, il existe une relation entre l'ordre linéaire des
nucléotides dans l'ADN et l'ordre linéaire des acides aminés dans les
polypeptides (protéines) à la synthèse desquelles il commande via l'ARN
messager.
On donne le nom de
code
génétique à l'ensemble des règles qui définissent la manière
dont l'information nécessaire à la synthèse des protéines est transmise
par l'ADN, et partant aux règles qui définissent la traduction des séquences
nucléotidiques en séquences d'acides aminés dans une protéine.
Ce code est un "langage"
qui repose sur plusieurs "alphabets" : l'alphabet ADN (A, T, C, G),
l'alphabet ARN (A, U, C, G), et l'alphabet polypeptidique (20 acides
aminés).
Les "mots" sont composés
de trois nucléotides. Les triplets de l'ARNm sont appelés
codons
et ceux de l'ARNt sont appelés anticodons. Chaque codon détermine
la nature de l'acide aminé qui sera synthétisé.
Le code génétique
est dit redondant ou dégénéré, car les 4³ = 64 codons possibles dans
l'ARNm ne spécifient que 20 acides aminés, un acide aminé donné peut
être codé par plus d'un triplet, et il y a en outre trois codons dits
codons non-sens ou codons-stop, qui servent seulement Ă
signaler la fin d'une chaîne polypeptidique.
Presque toutes les
espèces vivantes de la planète utilisent le même code génétique.
-
Le
code génétique. - Ce tableau montre selon quelles règles chaque
triplet de nucléotides de l'ARNm est traduit en un acide aminé ou un
signal de terminaison dans une protéine en formation.
(Source
: NIH). |
Si l'on poursuit
la métaphore grammaticale, on dira que le code génétique mène à la
construction de "phrases" : ce sont les gènes. Les gènes sont de petits
segments d'ADN qui contiennent une séquence définie de nucléotides contenant
toute l'information nécessaire pour fabriquer l'ARNm par un processus
nommé transcription. L'ARNm est ensuite utilisé pour synthétiser
les protéines par le processus de traduction.
La transcription.
Transcription
procaryote.
Chez les procaryotes,
la synthèse d'ARNm est initiée au niveau d'une séquence promotrice sur
la matrice d'ADN comprenant deux séquences qui recrutent l'ARN-polymérase.
La polymérase procaryote consiste en une enzyme
centrale de quatre sous-unités protéiques et une protéine sigma qui
aide uniquement à l'initiation. L'élongation (allongement) synthétise
l'ARNm dans la direction 5 'à 3' à un taux de 40 nucléotides par seconde.
La terminaison libère l'ARNm et se produit soit par interaction de la
protéine rhô, soit par la formation d'une bribe d'ARNm.
Transcription
eucaryote.
La transcription
chez les eucaryotes implique l'un des trois types de polymérases, selon
le gène transcrit. L'ARN-polymérase II transcrit tous les gènes codant
pour les protéines, tandis que l'ARN-polymérase I transcrit les gènes
ARNr, et l'ARN polymérase-III transcrit l'ARN, l'ARNt et les petits gènes
d'ARN nucléaire. L'initiation de la transcription chez les eucaryotes
implique la liaison de plusieurs facteurs de transcription à des séquences
promotrices complexes qui sont généralement situées en amont du gène
copié. L'ARNm est synthétisé dans la direction 5 'à 3', et le complexe
FACT ( = facilitates chromatin transcription) se déplace et réassemble
les nucléosomes au fur et à mesure que la polymérase passe. Alors que
les ARN-polymérases I et III terminent la transcription par des méthodes
dépendant des protéines ou de l'ARN en épingle à cheveux, l'ARN-polymérase
II transcrit 1000 nucléotides ou plus au-delà de la matrice du gène
et clive l'excès pendant le traitement pré-ARNm.
Traitement
de l'ARN chez les eucaryotes.
Les pré-ARNm eucaryotes
sont modifiés avec une coiffe 5' en méthylguanosine et une queue poly-A.
Ces structures protègent l'ARNm mature de la dĂ©gradation et aident Ă
l'exporter du noyau. Les pré-ARNm subissent également un épissage, dans
lequel les introns sont retirés et les exons sont reconnectés avec une
précision d'un seul nucléotide.
Seuls les ARNm finis
qui ont subi un coiffage 5', une polyadénylation 3' et un épissage intron
sont exportés du noyau vers le cytoplasme. Les pré-ARNr et les pré-ARN
peuvent être traités par clivage intramoléculaire, épissage, méthylation
et conversion chimique des nucléotides. L'édition d'ARN est également
effectuée, mais rarement, pour insérer des bases manquantes après la
synthèse d'un ARNm.
La traduction
Les acteurs de la
traduction en protéine comprennent la matrice d'ARNm, les ribosomes, les
ARNt et diverses enzymes. Cette traduction s'effectue par les ribosomes,
sur la base de la séquence nucléotidique de l'ARNm, en utilisant des
triplets nucléotidiques (codons), qui sont traduits en acides aminés.
Chaque triplet de
nucléotides de l'ARN messager indique l'acide aminé à incorporer dans
la chaîne polypeptidique qui se forme. La longueur de la protéine synthétisée
sera donc proportionnelle Ă la longueur de l'ARNm mature.
L'ARNm entier est
traduit par étapes, codon après codon. Lorsqu'un codon non-sens est rencontré,
un facteur de libération se lie et dissocie les composants et libère
la nouvelle protéine. Le pliage de la protéine se produit pendant et
après la traduction.
Les trois Ă©tapes
principales de la traduction sont : l'initiation, l'Ă©longation et la terminaison.
L'initiation
ou démarrage.
La traduction commence
au codon ou triplet d'initiation. Chez les eucaryotes, c'est généralement
AUG, codant pour la méthionine; chez les procaryotes, il peut aussi s'agir
des triplets GUG (Val) et UUG (Leu) bien que moins efficacement. La petite
sous-unité ribosomique se forme sur la matrice d'ARNm soit au niveau de
la séquence de Shine-Dalgarno (procaryotes) soit à l'extrémité 5' (eucaryotes).
Une fois attachée
à l'ARNm, cette sous-unité se déplace vers l'extrémité 3' du messager
jusqu'Ă trouver le codon d'initiation. Un ARNt arrive avec l'anticodon
UAC (Met), puis la sous-unité ribosomique principale arrive et, à partir
de ce moment, la formation de liaisons peptidiques pourra se produite entre
des acides aminés séquentiels spécifiés par la matrice d'ARNm selon
le code génétique. Les ARNt chargés pénètrent dans le site ribosomal
A (Aminoacyl) et leurs acides aminés se lient avec l'acide aminé au site
P (Peptidyl).
L'Ă©longation.
L'Ă©longation est
le processus de synthèse de la protéine proprement dit. Cette synthèse
s'effectue à partir de la lecture par la petite sous-unité du ribosome
de la succession des codons de l'ARNm. Codon après codon, les acides aminés
sont formés et ajoutés à la chaîne déjà constituée (polymérisation).
Ă€ chaque Ă©tape,
le même scénario se reproduit : le ribosome lit un nouveau codon de l'ARNm
exposé sur le site libre A. Un ARNt, disposant à une extrémité de l'anticodon
complémentaire vient s'apparier au codon. L'acide aminé que cet ARNt
porte à son autre extrémité se lie à l'acide aminé apporté par l'ARNt
précédent et qui est lui-même attaché à l'acide aminé ou aux acides
aminés déjà liés entre eux lors des cycles précédents. Cette jonction
(une liaison peptidique) s'effectue grâce à une enzyme présente sur
la grande sous-unité du ribosome. L'ARNt peut maintenant se détacher
pour laisser libre le site et permettre la lecture du codon suivant et
son appariement avec l'anticodon apportée par un autre ARNt, etc. Ainsi,
de proche en proche, la sĂ©quence d'acides aminĂ©s grandit-elle jusqu'Ă
l'apparition d'un signal d'arrĂŞt.
-
Synthèse
d'une protéine. - Un ribosome a deux parties: une grande sous-unité
et une petite sous-unité. L'ARNm se situe entre les deux sous-unités.
Une molécule d'ARNt reconnaît un codon sur l'ARNm, s'y lie par appariement
de bases complémentaires et ajoute le bon acide aminé à la chaîne peptidique
en croissance. |
La
terminaison.
Le processus se
termine lorsque le site A du ribosome est au-dessus d'un codon de
terminaison (l'un des trois triplets qui ne codent pour aucun acide aminé
: UAA, UAG et UGA). Les protéines appelées facteurs de terminaison
qui se trouvent au site A entrent en scène, et la chaîne protéique formée
est libérée; tous les éléments qui ont contribué au processus sont
séparés.
Les protéines primaires
se replient pour atteindre des structures secondaires, tertiaires ou quaternaires
et acquièrent une fonctionnalité biologique.
L'expression des
gènes.
Ă€ quelques exceptions
près - les globules rouges qui ne contiennent pas d'ADN dans leur état
mature et certaines cellules du système immunitaire qui réorganisent
leur ADN en produisant des anticorps -, chaque cellule du corps contient
le même ADN. En général, cependant, les gènes qui déterminent par
exemple si un individu a les yeux verts, les cheveux bruns, et Ă quelle
vitesse il métabolise les aliments sont les mêmes dans les cellules de
ses yeux et de son foie, même si ces organes fonctionnent très différemment.
Si chaque cellule a le mĂŞme ADN, comment se fait-il que les cellules ou
les organes soient différents? Pourquoi les cellules de l'oeil diffèrent-elles
si radicalement des cellules du foie?
Alors que chaque
cellule partage le même génome et la même séquence d'ADN, chaque cellule
n'exprime pas le même ensemble de gènes. Chaque type de cellule a besoin
d'un ensemble différent de protéines pour remplir sa fonction. Donc,
seul un petit sous-ensemble de protéines est exprimé dans une cellule.
Pour que les protéines s'expriment, l'ADN doit être transcrit en ARN
et l'ARN doit être traduit en protéine. Dans un type de cellule donné,
tous les gènes codés dans l'ADN ne sont pas transcrits en ARN ou traduits
en protéines car des cellules spécifiques de notre corps ont des fonctions
spécifiques. Les protéines spécialisées qui composent l'oeil (iris,
cristallin et cornée) ne sont exprimées que dans l'oeil, tandis que les
protéines spécialisées du coeur (cellules du stimulateur cardiaque,
muscle cardiaque et valves) ne sont exprimées que dans le coeur. À un
moment donné, seul un sous-ensemble de tous les gènes codés par notre
ADN sont exprimés et traduits en protéines. L'expression de gènes spécifiques
est un processus hautement régulé avec de nombreux niveaux et étapes
de contrôle. Cette complexité garantit une bonne expression du gène
dans la cellule appropriée au bon moment.
Pour qu'une cellule
fonctionne correctement, les protéines nécessaires doivent être synthétisées
au bon moment et au bon endroit. Toutes les cellules contrôlent ou régulent
la synthèse des protéines à partir des informations codées dans leur
ADN. Le processus d'activation d'un gène pour produire de l'ARN et des
protéines est appelé expression génique. Que ce soit dans un
organisme unicellulaire simple ou dans un organisme multicellulaire complexe,
chaque cellule contrôle quand et comment ses gènes sont exprimés. Pour
que cela se produise, il doit y avoir des mécanismes chimiques internes
qui contrôlent quand un gène est exprimé pour produire de l'ARN et des
protéines, quelle quantité de protéines est produite et quand il est
temps d'arrêter de produire cette protéine parce qu'elle n'est plus nécessaire.
La régulation de
l'expression des gènes demanderait une quantité importante d'énergie
si un un organisme devait exprimer chaque gène à tout moment. Il est
donc plus économe en énergie de n'activer les gènes que lorsqu'ils sont
nécessaires. De plus, l'expression d'un sous-ensemble de gènes dans chaque
cellule permet d'économiser de l'espace car l'ADN doit être déroulé
de sa structure étroitement enroulée pour transcrire et traduire l'ADN.
Les cellules devraient être énormes si chaque protéine était constamment
exprimée dans chaque cellule.
Le contrĂ´le de l'expression
des gènes est extrêmement complexe. Les dysfonctionnements de ce processus
sont préjudiciables à la cellule et peuvent conduire au développement
de nombreuses maladies, y compris Ă celui du cancer. |