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L’anatomie
et les fonctions des cellules
La
synthèse des protéines (II)
Dernière
et non des moindres fonctions de la
transcription, elle a l’immense tâche de coder pour les ARN-messagers, c’est-à-dire de synthétiser des protéines.
Lorsque
la copie est effectuée, l’ARNm transporte son information dans le
cytoplasme où elle sera lue par l’ARNr. Malgré trois décades d’investigations,
il n’y a que des hypothèses sur le fonctionnement des ribosomes,
eux-mêmes assemblés à partir d’ARN spécifiques et de protéines.
Leur fonction est de construire des protéines à partir des acides
aminés. Mais ces derniers sont incapables de lire le message de l’ARN-messager.
Ils doivent faire appel aux ARNt qui capturent les acides aminés par
attraction chimique.
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La synthèse des protéines
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A
gauche, schéma des réactions chimiques de synthèse d'un polypeptide. A
droite, schéma fonctionnel simplifié de la synthèse d'une peptide insistant sur le rôle du ribosome :
1.
Un ARNt capture un acide aminé dans le noyau d'une cellule et s'approche
d'un ribosome pour l'assembler.
2.
Le ribosome décode le message de l'ARNm tandis que l'ARNr aligne l'ARNt
chargé. Finalement l'ARNm assemble la chaîne protéinique.
3.
L'ARNt libéré de sa charge retourne dans le noyau chercher d'autres acides aminés.
Documents
UAH/Carter et CIP/C.De
Duve. |
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Lorsqu’un
message se présente dans (ou peut-être sur) la petite usine chimique du
ribosome, les deux sous-unités ribosomiales se rapprochent et le message
en question est dirigé vers la chaîne de montage. A l’extrémité de l’ARN
de transfert se trouve des anticodons (combinaisons de 3 bases),
complémentaires des codons du message. L’acide aminé les reconnaît,
se détache de l’ARN de transfert et s’accroche à la chaîne
polypeptidique en construction (cf schéma). La protéine, copie fidèle
de la séquence de l’ADN se construit codon par codon au rythme d’une
vingtaine par seconde. Une fois libéré de son message, l’ARN de
transfert retourne capturer un nouvel acide aminé. Lorsque la synthèse
est terminée, les deux sous-unités ribosomiales se séparent, la
protéine se libère et se replie sur elle-même en prenant la forme
correspondant à ses affinités chimiques.
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A
son tour la protéine peut interagir avec le noyau pour interrompre l'activité nucléique par
exemple. Noter que pour une cellule nerveuse on ne parle pas de messager
mais de neurotransmetteur, telle la dopamine qui est une molécule
spécifique aux neurones.
Chacun
de nous connait par exemple les bienfaits de l’aspirine. Pourquoi
agit-elle ? Lorsqu’il y a un dérèglement métabolique, nous venons de
voir que les cellules envoient des messages. Parmi ceux-ci elles
peuvent demander la synthèse de prostaglandine afin de provoquer la
fièvre, une inflammation ou manifester des douleurs. Elles peuvent
également synthétiser de la thromboxane pour former des caillots ou de
la prostacycline lors d’une irritation de l’estomac par exemple.
C’est
pour supprimer ces malaises ou plus précisément pour bloquer les trois
types de messages à l’origine de ces symptômes que l’aspirine fut
inventée. |
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La prostaglandine. Doc PDB. |
Si
les molécules de protéines diffèrent naturellement les unes des autres
par leur séquence d’acides aminés, leurs fonctions diffèrent
crucialement de leur forme. Il subsiste une grande incertitude à propos
du mécanisme qui donne leur forme aux molécules; pour toutes les
molécules sauf les plus petites, il semble y avoir un grand nombre d’étapes
de pliures intermédiaires qui demeurent inactives. Une explication serait
de considérer que le pliage est partiellement déterminé par l’ordre
dans lequel les acides aminés sont traduits dans les ribosomes, mais il
existe des preuves que d’autres protéines (les chaperons) assistent à
ce processus. La réponse est incertaine et il pourrait ne pas y avoir de
règle générale.
A
consulter : Protein Data Bank
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Quatre manières de décrire la structure d'une
protéine
La
complexité du sujet m'oblige à définir quelques notions
de base utilisées en biologie moléculaire pour représenter les
moléculaires et leur activité biologique.
La
structure primaire est la simple séquence illustrant
l'enchaînement des acides aminés.
Elle est intéressante pour décrire une molécule mais insuffisante
pour définir une activité enzymatique. Par exemple, un
peptide présentant une séquence d'acides aminés
particulière présente une activité biologique. Si on lui
ajoute peu de détergent on perturbe sa structure spatiale
et on détruit son activité biologique, phénomène qui ne
peut apparaître dans ce schéma.
La structure secondaire est un premier niveau d'agencement
dans l'espace tenant compte des liaisons hydrogène. Elle
met généralement en évidence certaines suites d'acides aminés qui se replient
sous forme d'hélice alpha ou de feuillet bêta comme indiqué dans le schéma.
La structure tertiaire est un second niveau de structure
tridimensionnel plus global insistant sur l'agencement des
structures secondaires entre elles. Celles-ci forment un
ensemble compact qui permet de définir les sites actifs
pour les enzymes.
La structure quaternaire est l'assemblage de plusieurs
sous-unités distinctes, formant un ensemble tel qu'ils
existe réellement in vivo.
Les
"tire-bouchons" que l'on observe sur l'image de
droite représentant la ribonucléase P sont des hélices. Il en existe de plusieurs
natures mais globalement elles conservent cette forme. Elle
n'est pas aléatoire, elle est déterminée par des
interactions internes de types hydrophobes. Les tracés plus
fins en "fils de fer" sont des structures plus
simples de types feuillets (bêta le plus souvent) et ou
coudes (pour passer d'un feuillet à un autre ou vers une hélice,...).
Ces
représentations sont obtenues par calculs mathématiques et
modélisation RMN. Ces calculs sont réalisés dans l'air ou
dans l'eau et négligent de nombreux paramètres (force
hydrophobe, sels, interactions avec le milieu, ....). D'autre
part il s'agit d'une image statique alors qu'en réalité la
molécule est une structure dynamique. C'est un peu comme si
on isolait une image d'un film; cela ne reflète pas la réalité
de la séquence. |
Paradoxalement,
la synthèse des acides nucléiques (les bases de l'ADN) n'est possible
qu'en présences d'enzymes, de protéines qui assurent une fonction de
catalyseur. Ces protéines sont essentielles car elles
constituent la cheville ouvrière de la cellule, non seulement elles
créent les enzymes mais elles forment les parois, les
anticorps, etc. Il est donc difficile de savoir qui de l'ADN ou de l'ARN est
le premier. On y reviendra dans un instant.
Le nombre d'acides aminés possible est lié
à la combinaison des bases simples C, G, A, T ou U. Sur
64 combinaisons possibles, 20 acides aminés sont fondamentaux. Le plus simple est la méthionine (Met) seule
combinaison de bases ou codon (AUG), jusqu'à l’arginine (Agr) et la
leucine (Leu) formées de 6 codons.
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Les
acides aminés
A
gauche les 20 acides aminés participants aux réactions
biochimiques. Cliquer
sur l'image pour visualiser l'ensemble du tableau. |
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Les
64 codons du code génétique. Le codage de l'ADN est
universel mais on rencontre chez les mitochondries des
déviations par rapport à ce code. Ainsi les gènes
mitochondriaux humains et ceux de la drosophile codent UGA
pour la tryptophane, AUA pour la méthionine. Les
mitochondries des saccharomyces codent CUA pour la
thréonine. Cliquer sur le tableau pour visualiser les 64 codons. |
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Ainsi que nous l'avons évoqué à
propos de l'origine de la vie, tous les acides aminés ont une fonction acide (COOH) et amine
(NH2)
plus un radical, une molécule variable qui les différenciera. Nos 4 lettres qui forment
l'alphabet de la vie nous donnent ainsi accès aux processus de
reproduction et de contrôle des organismes vivants. C'est la
mutation de cette structure simple qui aboutit au bout de 4.5 milliards
d'années au premier ancêtre de l'homme.
Prochain
chapitre
Le
sens de l’information génique
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T.Cech et B.Bass, Nature, 308, 1984, p820 - T.Cech et A.Zaug, Science,
231, 1986, p470.
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