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Qu'est-ce qui dicte quelle protéine synthétiser à un moment donné ?


Je comprends comment l'ADN est répliqué et comment il dirige la synthèse de protéines à partir d'acides aminés via l'ARN polymérase, l'ARN et les ribosomes. Maintenant, je veux comprendre comment cela fonctionne dans l'ensemble.

Avec mon niveau de compréhension actuel, n'importe quelle protéine peut être synthétisée à tout moment, mais cela semble être chaotique de fonctionner.

Qu'est-ce qui dicte quelle protéine synthétiser à un moment donné ?


La régulation de l'expression des gènes et de la synthèse des protéines se produit à plusieurs niveaux, et ensemble, ces niveaux permettent un contrôle précis du moment et de la mesure dans laquelle les gènes sont actifs. Il serait impossible de donner une réponse complète à une question aussi vaste. Voici une entrée en matière, en commençant par le fait le plus important :

L'ADN est utilisé comme matrice pour fabriquer de l'ARN messager, qui est exporté hors du noyau pour produire des protéines sur des structures appelées ribosomes dans le cytoplasme.

Au niveau de l'ADN, il y a beaucoup de régulation pour savoir quels gènes, et quand et dans quelle mesure, seront transcrits en ARN messager. Le nom de cette régulation est régulation transcriptionnelle. Par exemple, un réseau de protéines appelées facteurs de transcription se lie à l'ADN, régulant l'accessibilité d'un gène aux enzymes transcriptionnelles. Autre exemple : la topographie tridimensionnelle de l'ADN est également importante. Les caractéristiques épigénétiques peuvent rendre certaines portions d'ADN inaccessibles. L'action spécifique d'éléments distaux appelés amplificateurs peut également affecter le niveau d'expression d'un gène. Il y a beaucoup de choses qui fonctionnent en tandem à ce niveau.

Une fois qu'un ARN messager est formé, il doit être exporté dans la cellule à partir du noyau. Dans le cytoplasme, il peut être emballé, isolé de sa traduction en protéine, dégradé, accumulé, la liste est longue. C'est ce qu'on appelle la régulation translationnelle. Actuellement, la recherche biomédicale et fondamentale se concentre beaucoup sur les microARN, qui sont des espèces d'ARN qui participent à la régulation des quantités d'ARN messagers présents dans la cellule. On les trouve également dans le noyau. De nombreuses biotechnologies sont basées sur ce concept ; en outre, une pratique courante en laboratoire consiste à éliminer (réduire l'expression) des gènes d'intérêt pour la recherche par une technique appelée ARN interférence.

De plus, il existe une régulation de la biosynthèse des protéines au niveau du ribosome, qui se complexe souvent avec d'autres molécules de manière compliquée pour assurer une couche supplémentaire de réglage de la quantité de protéines produites et de sa rapidité.

Il existe de nombreux autres niveaux de réglementation connus. Il reste également de nombreux mécanismes de régulation inconnus, que les scientifiques sont occupés à découvrir et à comprendre au moment où nous parlons.

ÉDITER: Qu'est-ce qui dicte quelle protéine synthétiser à un moment donné ? L'histoire et l'identité actuelle d'une cellule. Par identité, j'entends son état concernant la régulation de sa propre expression génique, ainsi que d'autres choses.


Vous demandez comment une cellule ou un organisme régule la synthèse des protéines. C'est une question complexe, avec de nombreuses parties différentes. Il est bien présenté dans Alberts Molecular Biology of the Cell, chapitre 7, sur les commutateurs génétiques. Voici une section en ligne de ce chapitre dans l'édition 2002.

Il y a beaucoup impliqué dans la régulation de la synthèse des protéines. En règle générale, si vous pouvez imaginer la réglementer, c'est réglementé. Voici une figure d'Alberts pour vous aider à commencer à y penser :

Il y a certaines choses qui sont nécessaires pour tous les gènes. Facteurs de transcription généraux, par exemple, et la boîte Pribnow, ou TATAAT. La présence, l'absence, l'emplacement et l'accessibilité de ces éléments peuvent réguler les niveaux de synthèse des protéines par la cellule. D'autres choses vont discriminer entre les différents gènes. Sous certaines conditions, certaines protéines régulatrices de gènes seront produites, non détruites aussi rapidement, activées, autorisées à entrer dans le noyau, etc., des séquences régulatrices seront exposées ou non exposées, méthylées ou non méthylées… et les taux de transcription évolueront en conséquence (augmentant si ceux-ci les interactions protéine-gène stabilisent l'assemblage, la liaison et la transcription par la polymérase, diminuent si elles déstabilisent l'assemblage, la liaison et la transcription par la polymérase).

Ceci n'est qu'un avant-goût du monde merveilleux de la régulation des gènes dans la cellule eucaryote. Comme il est dit dans Alberts, sur les quelque 30 000 gènes humains, environ 5 à 10 % codent pour des protéines régulatrices des gènes. Et ce ne sont que les protéines qui directement réguler la transcription.


Biologie synthétique, partie B

Randall A. Hughes, . Andrew D. Ellington , dans Methods in Enzymology , 2011

2.1 Synthèse de phosphoramidite en phase solide

Toutes les technologies de synthèse de gènes reposent sur la synthèse chimique d'oligonucléotides pour fournir les éléments constitutifs de l'assemblage enzymatique. La méthode la plus couramment utilisée pour la synthèse d'oligonucléotides est la méthode de synthèse de phosphoramidite cyclique en quatre étapes développée dans les années 1980 (Caruthers et al., 1983, 1987 Fig. 12.1. ). Les oligonucléotides d'ADN sont synthétisés de manière 3'-5' en couplant des phosphoramidites désoxynucléosidiques activés par un acide à un désoxynucléoside initial attaché à un support solide (généralement des billes de verre à pores contrôlés (CPG) ou de polystyrène (PS)) par l'intermédiaire de son groupe 3'-hydroxyle . Dans la plupart des synthétiseurs d'ADN commerciaux, la matrice de support solide est conditionnée dans une colonne à écoulement continu et les réactifs nécessaires au cycle de synthèse des phosphoramidites s'écoulent par la matrice de support solide. L'ajout de chaque monomère nucléotidique à la chaîne oligonucléotidique en croissance s'effectue en quatre étapes ( Fig. 12.1 ) : (1) déprotection : un acide faible est utilisé pour éliminer le groupe éther diméthoxytritylique (DMT) de l'extrémité 5' du chaîne oligonucléotidique en croissance laissant un 5'-hydroxyle (-OH) réactif pour l'étape de couplage suivante (2) couplage : le 5'-OH réactif réagit avec un monomère activé par le tétrazole par addition simultanée des solutions de monomère et d'activateur. (3) coiffage : tous les groupes 5'-OH non couplés sont bloqués par acylation pour minimiser la formation de produits de délétion et enfin (4) oxydation : les liaisons internucléotidiques relativement instables du phosphite triester sont oxydées en liaisons phosphotriester plus stables. Ce processus cyclique est répété jusqu'à ce que l'oligonucléotide soit complet. L'oligonucléotide est ensuite clivé du support solide, et les groupes protecteurs restants sont éliminés par traitement avec une base forte telle que l'hydroxyde d'ammonium. La synthèse d'oligonucléotides avec des longueurs < 100 nt est courante en utilisant la chimie du phosphoramidite en phase solide avec des efficacités de couplage qui peuvent approcher 99% ( Rayner et al., 1998 ). Cependant, lors de la déprotection acide, les réactions secondaires de dépuration limitent la qualité et les rendements des oligonucléotides au-dessus de 100 nt (Hall et al., 2009 ). Une modification récente des conditions de réaction traditionnelles à l'aide d'un nouveau procédé de détritylation a été rapportée pour remédier à ce problème et peut conduire à l'amélioration de la synthèse d'oligonucléotides jusqu'à 150 nt de longueur (LeProust et al., 2010 ).

Graphique 12.1. Synthèse d'oligonucléotides à partir de phosphoramidites. Le nucléoside initial est attaché au verre à pores contrôlés via son hydroxyle 3'. Le cycle de synthèse implique la déprotection, le couplage, l'oxydation et le coiffage. La synthèse se déroule dans une direction 3′–5′.

La robustesse de la synthèse de phosphoramidite en phase solide la rend facilement automatisable, et cette méthode est maintenant utilisée dans presque tous les synthétiseurs d'ADN disponibles dans le commerce (Caruthers, 1985 Caruthers et al., 1983, 1987 ). Différentes machines peuvent générer des oligonucléotides dans une gamme d'échelles de synthèse, bien que pour la synthèse de gènes, des quantités relativement faibles (picomoles) soient nécessaires. Les synthétiseurs automatisés ont un débit parallèle allant jusqu'à 1536 oligonucléotides ( Cheng et al., 2002 Horvath et al., 1987 Lashkari et al., 1995 Rayner et al., 1998 Sindelar et Jaklevic, 1995 ). Alors que le temps nécessaire pour synthétiser un oligonucléotide donné variera entre les plates-formes de synthétiseur automatisé, la synthèse d'oligonucléotides jusqu'à 1536 × 20-mères peut désormais être réalisée en quelques heures (Cheng et al., 2002 Horvath et al., 1987 Lashkari et al., 1995 Rayner et al., 1998 Sindelar et Jaklevic, 1995 ).

D'autres améliorations du débit et des réductions concomitantes des coûts peuvent être obtenues par miniaturisation. Quake et ses collègues ont développé des dispositifs de réaction microfluidique dans lesquels la distribution de quantités infimes de réactifs de synthèse dans des récipients de réaction microfluidiques fermés conduit à la synthèse d'oligonucléotides à un

Échelle de 100 pmol. Cette échelle est compatible avec les réactions traditionnelles de synthèse de gènes à l'échelle du microlitre tout en réduisant simultanément de 100 fois la consommation de réactifs par rapport aux techniques traditionnelles (Lee et al., 2010 ).

Une version alternative en deux étapes du cycle de synthèse de phosphoramidite a été publiée qui pourrait également potentiellement réduire la consommation de réactif ( Sierzchala et al., 2003 ). Dans cette méthode, le groupe protecteur DMT sur le 5'-OH de chaque phosphoramidite est remplacé par un groupe carbonate. Un anion peroxy sert alors de nucléophile pour éliminer simultanément le groupe protecteur 5'-carbonate et oxyder la liaison internucléotidique phosphite triester en liaison phosphotriester. Cette procédure devrait également réduire les mutations observées dans l'ADN synthétique qui résultent de la dépurination lors de la déprotection acide (Septak, 1996).


Biologie 171


Chaque cellule somatique du corps contient généralement le même ADN. Quelques exceptions incluent les globules rouges, qui ne contiennent pas d'ADN à l'état mature, et certaines cellules du système immunitaire qui réarrangent leur ADN tout en produisant des anticorps. En général, cependant, les gènes qui déterminent si vous avez les yeux verts, les cheveux bruns et la vitesse à laquelle vous métabolisez les aliments sont les mêmes dans les cellules de vos yeux et de votre foie, même si ces organes fonctionnent très différemment. Si chaque cellule a le même ADN, comment se fait-il que les cellules ou les organes soient différents ? Pourquoi les cellules de l'œil 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'active pas ou n'exprime pas le même ensemble de gènes. Chaque type de cellule a besoin d'un ensemble différent de protéines pour remplir sa fonction. Par conséquent, seul un petit sous-ensemble de protéines est exprimé dans une cellule. Pour que les protéines soient exprimées, l'ADN doit être transcrit en ARN et l'ARN doit être traduit en protéine. Dans un type cellulaire 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'œil (iris, cristallin et cornée) ne sont exprimées que dans l'œil, tandis que les protéines spécialisées du cœur (cellules du stimulateur cardiaque, muscle cardiaque et valves) ne sont exprimées que dans le cœur. À un moment donné, seul un sous-ensemble de tous les gènes codés par notre ADN est exprimé et traduit en protéines. L'expression de gènes spécifiques est un processus hautement régulé avec de nombreux niveaux et étapes de contrôle. Cette complexité garantit la bonne expression dans la bonne cellule au bon moment.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Expliquez pourquoi chaque cellule n'exprime pas tous ses gènes tout le temps
  • Décrire comment la régulation des gènes procaryotes se produit au niveau transcriptionnel
  • Discuter de la façon dont la régulation des gènes eucaryotes se produit aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel

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 fabriquer de l'ARN et des protéines, quelle quantité de protéine est fabriquée et quand il est temps d'arrêter de fabriquer cette protéine car elle n'est plus nécessaire.

La régulation de l'expression des gènes préserve l'énergie et l'espace. Il faudrait une quantité importante d'énergie à un organisme pour 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, n'exprimer qu'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 exprimée dans chaque cellule tout le temps.

Le contrôle 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, dont le cancer.

Expression génique procaryote versus eucaryote

Pour comprendre comment l'expression des gènes est régulée, nous devons d'abord comprendre comment un gène code pour une protéine fonctionnelle dans une cellule. Le processus se produit à la fois dans les cellules procaryotes et eucaryotes, de manière légèrement différente.

Les organismes procaryotes sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau cellulaire et leur ADN flotte donc librement dans le cytoplasme cellulaire. Pour synthétiser une protéine, les processus de transcription et de traduction se produisent presque simultanément. Lorsque la protéine résultante n'est plus nécessaire, la transcription s'arrête. En conséquence, la principale méthode pour contrôler le type de protéine et la quantité de chaque protéine exprimée dans une cellule procaryote est la régulation de la transcription de l'ADN. Toutes les étapes suivantes se déroulent automatiquement. Lorsque plus de protéines sont nécessaires, plus de transcription se produit. Par conséquent, dans les cellules procaryotes, le contrôle de l'expression des gènes se fait principalement au niveau transcriptionnel.

Les cellules eucaryotes, en revanche, ont des organites intracellulaires qui ajoutent à leur complexité. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est contenu dans le noyau de la cellule et y est transcrit en ARN. L'ARN nouvellement synthétisé est ensuite transporté hors du noyau dans le cytoplasme, où les ribosomes traduisent l'ARN en protéine. Les processus de transcription et de traduction sont physiquement séparés par la membrane nucléaire, la transcription ne se produit qu'à l'intérieur du noyau et la traduction ne se produit qu'à l'extérieur du noyau dans le cytoplasme. La régulation de l'expression des gènes peut se produire à toutes les étapes du processus ((Figure)). La régulation peut se produire lorsque l'ADN est déroulé et détaché des nucléosomes pour se lier aux facteurs de transcription (niveau épigénétique), lorsque l'ARN est transcrit (niveau transcriptionnel), lorsque l'ARN est traité et exporté vers le cytoplasme après sa transcription (niveau post-transcriptionnel) ), lorsque l'ARN est traduit en protéine (niveau traductionnel), ou après que la protéine a été fabriquée (niveau post-traductionnel).


Les différences dans la régulation de l'expression des gènes entre les procaryotes et les eucaryotes sont résumées dans (Figure). La régulation de l'expression des gènes est discutée en détail dans les modules suivants.

Différences dans la régulation de l'expression génique des organismes procaryotes et eucaryotes
Organismes procaryotes Organismes eucaryotes
Absence de noyau lié à la membrane Contenir le noyau
L'ADN se trouve dans le cytoplasme L'ADN est confiné dans le compartiment nucléaire
La transcription de l'ARN et la formation des protéines se produisent presque simultanément La transcription de l'ARN se produit avant la formation des protéines et a lieu dans le noyau. La traduction de l'ARN en protéine se produit dans le cytoplasme.
L'expression des gènes est régulée principalement au niveau transcriptionnel L'expression des gènes est régulée à de nombreux niveaux (épigénétique, transcriptionnel, navette nucléaire, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel)

Les cellules procaryotes ne peuvent réguler l'expression des gènes qu'en contrôlant la quantité de transcription. Au fur et à mesure que les cellules eucaryotes évoluaient, la complexité du contrôle de l'expression des gènes augmentait. Par exemple, avec l'évolution des cellules eucaryotes, la compartimentation d'importants composants cellulaires et processus cellulaires s'est produite. Une région nucléaire qui contient l'ADN s'est formée. La transcription et la traduction ont été physiquement séparées dans deux compartiments cellulaires différents. Il est donc devenu possible de contrôler l'expression des gènes en régulant la transcription dans le noyau, mais aussi en contrôlant les taux d'ARN et la traduction des protéines présentes à l'extérieur du noyau.

La plupart des régulations géniques sont effectuées pour conserver les ressources cellulaires. Cependant, d'autres processus réglementaires peuvent être défensifs. Des processus cellulaires tels que ceux développés pour protéger la cellule des infections virales ou parasitaires. Si la cellule pouvait rapidement arrêter l'expression des gènes pendant une courte période, elle serait capable de survivre à une infection alors que d'autres organismes ne le pourraient pas. Par conséquent, l'organisme a développé un nouveau processus qui l'a aidé à survivre, et il a pu transmettre ce nouveau développement à sa progéniture.

Résumé de la section

Alors que toutes les cellules somatiques d'un organisme contiennent le même ADN, toutes les cellules de cet organisme n'expriment pas les mêmes protéines. Les organismes procaryotes expriment la plupart du temps la plupart de leurs gènes. Cependant, certains gènes ne sont exprimés que lorsqu'ils sont nécessaires. Les organismes eucaryotes, en revanche, n'expriment qu'un sous-ensemble de leurs gènes dans une cellule donnée. Pour exprimer une protéine, l'ADN est d'abord transcrit en ARN, qui est ensuite traduit en protéines, qui sont ensuite ciblées vers des emplacements cellulaires spécifiques. Dans les cellules procaryotes, la transcription et la traduction se produisent presque simultanément. Dans les cellules eucaryotes, la transcription se produit dans le noyau et est distincte de la traduction qui se produit dans le cytoplasme. L'expression génique chez les procaryotes est principalement régulée au niveau transcriptionnel (une certaine régulation épigénétique et post-traductionnelle est également présente), alors que dans les cellules eucaryotes, l'expression génique est régulée aux niveaux épigénétique, transcriptionnel, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel .

Réponse libre

Nommez deux différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes et comment ces différences profitent aux organismes multicellulaires.

Les cellules eucaryotes ont un noyau, contrairement aux cellules procaryotes. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est confiné dans la région nucléaire. Pour cette raison, la transcription et la traduction sont physiquement séparées. Cela crée un mécanisme plus complexe pour le contrôle de l'expression des gènes qui profite aux organismes multicellulaires car il compartimente la régulation des gènes.

L'expression génique se produit à de nombreux stades dans les cellules eucaryotes, alors que dans les cellules procaryotes, le contrôle de l'expression génique ne se produit qu'au niveau transcriptionnel. Cela permet un meilleur contrôle de l'expression des gènes chez les eucaryotes et le développement de systèmes plus complexes. Pour cette raison, différents types de cellules peuvent apparaître dans un organisme individuel.

Décrivez comment le contrôle de l'expression des gènes modifiera les niveaux globaux de protéines dans la cellule.

La cellule contrôle quelles protéines sont exprimées et à quel niveau chaque protéine est exprimée dans la cellule. Les cellules procaryotes modifient le taux de transcription pour activer ou désactiver les gènes. Cette méthode augmentera ou diminuera les niveaux de protéines en réponse aux besoins de la cellule. Les cellules eucaryotes modifient l'accessibilité (épigénétique), la transcription ou la traduction d'un gène. Cela modifiera la quantité d'ARN et la durée de vie de l'ARN pour modifier la quantité de protéines qui existe. Les cellules eucaryotes contrôlent également la traduction des protéines pour augmenter ou diminuer les niveaux globaux. Les organismes eucaryotes sont beaucoup plus complexes et peuvent manipuler les niveaux de protéines en modifiant de nombreuses étapes du processus.

Glossaire


La synthèse des protéines simplifiée en 26 questions-réponses

Les caractéristiques des organismes dépendent des réactions chimiques qui se produisent en leur sein. Ces réactions sont catalysées par des enzymes, qui sont des protéines hautement spécifiques. Chaque protéine d'un organisme est constituée d'informations contenues dans des molécules d'ARN, qui sont fabriquées selon un modèle basé sur une séquence de nucléotides d'une chaîne d'ADN.

Un gène est une séquence polynucléotidique d'ADN qui contient des informations pour la production d'une protéine.

ARN et ribosomes

4. Quel est le rôle de l'ARN messager et des ribosomes dans la synthèse des protéines ?

L'ARN messager (ARNm) est produit dans le noyau d'une cellule et migre vers le cytoplasme, où il se fixe aux ribosomes et guide la construction des séquences d'acides aminés qui composeront les protéines. Les ribosomes sont des sites de rencontre et de liaison de l'ARNm et de l'ARN de transfert (ARNt). Ce sont les structures où les acides aminés transportés par l'ARNt sont unis par des liaisons peptidiques pour former des chaînes polypeptidiques (protéines).

5. Quelles sous-unités composent les ribosomes ?

Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités, la petite sous-unité et la grande sous-unité. Ces sous-unités sont constituées d'ARN ribosomique (ARNr) et de protéines. Les ribosomes ont trois sites de liaison, un pour l'ARNm et deux pour l'ARNt.

6. Quelle est la différence entre la localisation des ribosomes dans les cellules eucaryotes et procaryotes ?

Chez les procaryotes, les ribosomes se trouvent libres dans le cytoplasme. Dans les cellules eucaryotes, ils peuvent également être trouvés libres dans le cytoplasme, mais sont principalement attachés à la membrane externe de la caryothèque et du réticulum endoplasmique rugueux.

7. Comment s'explique la présence de ribosomes dans les mitochondries et les chloroplastes ?

Une hypothèse bien étayée affirme que les mitochondries et les chloroplastes étaient des procaryotes qui ont développé une relation de mutualisme avec les cellules eucaryotes (gagnent une protection et offrent de l'énergie). Cela explique pourquoi ces organites contiennent des machines de synthèse d'ADN et de protéines, y compris des ribosomes. Cette hypothèse est connue sous le nom d'hypothèse endosymbiotique sur l'origine des mitochondries et des chloroplastes.

8. Quels sont des exemples de cellules humaines qui produisent des protéines pour l'exportation ? Quel organite cytoplasmique doit être bien développé et abondant dans ces cellules ?

Les cellules spécialisées des glandes, telles que les cellules de Langerhans du pancréas (qui produisent de l'insuline) ou les cellules productrices de salive, sont des exemples de cellules sécrétoires. Dans les cellules spécialisées dans la sécrétion, le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi sont bien développés, car ils participent au stockage et à la transformation des protéines pour l'exportation.

9. Quels ribosomes sont les plus abondants dans les cellules sécrétoires, les ribosomes libres dans le cytoplasme ou ceux attachés au réticulum endoplasmique rugueux ?

Les ribosomes libres dans le cytoplasme sont plus liés à la production de protéines pour la consommation cellulaire interne alors que ceux attachés au réticulum endoplasmique rugueux sont plus importants dans la synthèse des protéines pour l'exportation. Les protéines fabriquées par les ribosomes attachés pénètrent dans le réticulum endoplasmique rugueux et sont ensuite transférées dans l'appareil de Golgi. Par conséquent, dans les cellules sécrétoires, les ribosomes attachés au réticulum endoplasmique sont plus abondants.

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ARN messager et traduction de protéines

10. Où dans les cellules eucaryotes se produit la synthèse de l'ARNm ? Où ces molécules migrent-elles ?

Les molécules d'ARN messager sont synthétisées dans le noyau, traversent les pores de la membrane nucléaire et pénètrent dans le cytoplasme pour atteindre les ribosomes où se produit la synthèse des protéines.

11. Étant donné qu'il est basé sur des informations provenant de l'ARNm, comment s'appelle le processus de synthèse des protéines ?

La synthèse des protéines est appelée traduction (de l'information génétique en protéines).

12. Quelle est la différence entre transcription et traduction ?

La transcription est le nom donné à la formation de molécules d'ARN à partir d'une chaîne d'ADN ouverte utilisée comme matrice. La traduction est la création de polypeptides (acides aminés liés en séquence) et donc de protéines sur la base d'informations codées dans la molécule d'ARNm.

Dans les cellules eucaryotes, la transcription se produit dans le noyau et la traduction se produit dans les ribosomes. La transcription précède la traduction.

13. Comment les nucléotides des chaînes d'ARNm codent-ils l'information pour la formation des séquences d'acides aminés d'une protéine ?

Il n'y a que quatre types de bases azotées qui peuvent composer les nucléotides d'ARN : l'adénine (A), l'uracile (U), la guanine (G) et la cytosine (C). Cependant, il existe 20 acides aminés différents. Avec un seul nucléotide (un codage 1:1), il serait impossible de codifier tous les acides aminés.

Avec deux nucléotides, il y aurait un arrangement de 4 éléments, 2 x 2, résultant en un total de seulement 16 unités de codification possibles (4 x 4). La nature connaît peut-être l'analyse combinatoire, puisqu'elle a créé un code génétique en arrangeant les 4 bases d'ARN, 3 x 3, fournissant 64 triplets différents (4 x 4 x 4).

Par conséquent, chaque triplet de bases azotées d'ARN codifie un acide aminé d'une protéine. Comme ces triplets apparaissent en séquence dans la molécule d'ARN, les acides aminés séquentiels codifiés par eux sont liés ensemble pour former des chaînes polypeptidiques. Par exemple, une séquence UUU codifie l'acide aminé phénylalanine, ainsi que la séquence UUC les séquences ACU, ACC, ACA et ACG codifient l'acide aminé thréonine et ainsi de suite pour toutes les séquences triplet possibles et tous les autres acides aminés.

14. Quel est le nom d'une séquence d'ARN qui codifie un acide aminé ?

Chaque séquence de trois bases azotées d'ARN qui codifie un acide aminé est appelée un codon. Le codon est l'unité de codification du code génétique.

15. Étant donné que sur les 64 codons de l'ARNm, 61 codifient des acides aminés qui forment des chaînes polypeptidiques, quelles sont les fonctions des trois codons restants ?

Comme il existe 20 acides aminés et 64 possibilités de codons d'ARNm, certains acides aminés codifient plus d'un codon.

Cependant, tous les 64 codons ne codifient pas les acides aminés. Trois d'entre eux, UAA, UGA et UAG, transmettent l'information que le dernier acide aminé de la chaîne polypeptidique a été lié, signalant la fin de la synthèse du polypeptide. Ces codons sont appelés codons stop. Le codon AUG codifie l'acide aminé méthionine et, en même temps, il signale le début de la synthèse d'une chaîne polypeptidique (c'est un codon d'initiation).

Dans les cellules procaryotes, il existe une séquence appelée séquence Shine-Dalgarno (en général AGGAGG) en position avant le codon de départ AUG. La fonction de cette séquence est de distinguer le codon d'initiation AUG et les autres codons AUG de l'ARN.

16. À quelle structure cellulaire les molécules d'ARNm se lient-elles pour démarrer la synthèse des protéines ?

Pour fabriquer des protéines, les molécules d'ARNm doivent s'attacher aux ribosomes. Les ribosomes ont deux sites pour la liaison de deux codons d'ARNm voisins et où les anticodons de l'ARNt se lient par liaison hydrogène. Par conséquent, les ribosomes sont la structure responsable du positionnement et de l'exposition des codons d'ARNm à traduire. Dans les ribosomes, la liaison peptidique entre deux acides aminés apportée par les molécules d'ARNt se produit également. La liaison peptidique se produit lorsque des molécules d'ARNt portant des acides aminés sont liées à des codons d'ARNm exposés.

17. Comment les acides aminés sont-ils amenés aux sites de la cellule où la traduction a lieu ? Qu'est-ce qu'un anticodon ?

Les acides aminés sont apportés aux ribosomes par des molécules d'ARN appelées ARN de transfert ou ARNt. Un ARNt attaché à son acide aminé spécifique se lie par une séquence spéciale de trois nucléotides à un codon d'ARNm exposé dans le ribosome. Cette séquence dans l'ARNt est connue sous le nom d'anticodon. L'anticodon ARNt doit être complémentaire du codon ARNm auquel il se lie, selon la règle A-U, C-G. Le ribosome glisse ensuite le long de la molécule d'ARNm (un processus appelé translocation) pour exposer le codon suivant pour la liaison d'autres ARNt. Lorsque les acides aminés correspondant aux codons voisins se lient par liaison peptidique, la première molécule d'ARNt est libérée.

18. Pourquoi la proximité entre les ribosomes et les acides aminés est-elle importante pour la formation des protéines ? Quelle est l'enzyme qui catalyse cette réaction ?

La proximité entre les ribosomes et les acides aminés est importante car l'enzyme qui catalyse la liaison peptidique réside dans les ribosomes. En tant que substrats de ces enzymes, les acides aminés doivent se lier aux centres d'activation enzymatique.

L'enzyme qui catalyse la liaison peptidique est la peptidyl transférase.

19. Pourquoi les ribosomes se déplacent-ils le long de l'ARNm pendant la traduction ?

Pendant la traduction, le ribosome expose toujours deux codons d'ARNm à traduire en se déplaçant le long de l'ARNm. Lorsqu'une liaison peptidique est établie, le ribosome se déplace pour exposer le codon suivant. Ce mouvement est appelé translocation ribosomique. (Dans le réticulum endoplasmique rugueux, les ribosomes sont attachés à l'extérieur de la membrane et les molécules d'ARNm se déplacent à travers eux).

20. Combien de protéines identiques sont produites en même temps par chaque ribosome lors de la traduction d'une molécule d'ARNm ? Comment se produit la production consécutive de protéines dans la traduction ?

Les ribosomes ne fabriquent pas plusieurs protéines différentes simultanément. Ils les fabriquent les uns après les autres.

Cependant, de nombreux ribosomes peuvent se déplacer le long d'une molécule d'ARNm, produisant en masse la même protéine. L'unité composée de nombreux ribosomes travaillant sur la même molécule d'ARNm s'appelle un polysome.

Synthèse de protéines - Diversité d'images : polysome

21. Une molécule d'ARNm ne codifie-t-elle qu'un seul type de protéine ?

Les cellules eucaryotes ont un ARNm monocistronique, ce qui signifie que chaque ARNm codifie une seule chaîne polypeptidique. Les procaryotes peuvent présenter un ARNm polycistronique.

Après avoir assemblé les acides aminés en une chaîne polypeptidique, l'ARNm, via l'un de ses codons d'arrêt, signale au ribosome que le polypeptide est complet. Le ribosome libère alors la protéine produite. Chez les procaryotes, une fois ce processus terminé, l'information sur le début de la synthèse d'une autre protéine différente peut suivre dans la même molécule d'ARNm.

22. Si un anticodon d'ARNt est CAA, quel est son codon d'ARNm correspondant ? Dans le code génétique, quel acide aminé ce codon codifie-t-il ?

Selon la règle A-U, C-G, le codon qui correspond à l'anticodon CAA est GUU.

Le tableau du code génétique pour la traduction est basé sur des codons et non sur des anticodons. L'acide aminé codifié par GUU, selon le code génétique, est la valine.

23. Si un fragment d'acide nucléique a une séquence nucléotidique de TAC, est-ce un codon ou un anticodon ?

Un fragment d'acide nucléique avec une séquence TAC n'est certainement pas un ARNt. C'est de l'ADN car l'ARN ne contient pas la base azotée thymine. Puisqu'il ne s'agit pas d'ARN, il ne peut s'agir d'un codon ou d'un anticodon.

L'universalité du code génétique

24. Pourquoi le code génétique peut-il être qualifié de « code dégénéré » ?

Le code génétique est un code dégénéré car certains acides aminés sont codifiés par plus d'un type de codon. Ce n'est pas un système dans lequel chaque élément est codifié par une seule unité de codification.

Par exemple, l'acide aminé arginine est codifié par six codons : CGU, CGC, CGA, CGG, AGA et AGG.

25. Quel est le concept de l'universalité du code génétique ? Quelles sont les exceptions à cette universalité ?

Le code génétique est universel car les règles de codification des protéines basées sur les codons d'ARNm sont pratiquement les mêmes pour tous les organismes vivants connus. Par exemple, le code génétique est le même pour les humains, les bactéries et les invertébrés.

cependant, la synthèse des protéines dans les mitochondries, les chloroplastes et certains protozoaires est accomplie par différentes codifications génétiques.

26. Comment l'universalité du code génétique rend-elle possible la technologie de l'ADN recombinant ?

L'universalité du code génétique fait référence au fait que la machinerie de synthèse des protéines de tous les organismes vivants fonctionne selon les mêmes principes de stockage, de transmission et de reconnaissance de l'information, y compris la traduction des codons d'ARNm. Ce fait rend possible l'échange de gènes ou de fragments de gènes entre différents organismes et garantit que ces gènes continuent de contrôler la synthèse des protéines.

This universality, for example, makes the insertion of a fragment of human DNA containing a gene for the production of a given protein into the genetic material of bacteria feasible. Since bacterial transcription and translation systems work in the same way as corresponding human systems, the bacteria will begin to synthesize the human protein associated with the inserted DNA fragment. There exist industries that produce human insulin (for use by diabetics) in this way, synthesized by bacteria with modified DNA. If the genetic code were not universal, this kind of genetic manipulation would be impossible or very difficult to accomplish without new technological advancements.

Now that you have finished studying Protein Synthesis, these are your options:


Design of the Investigation

The unfolding and refolding of an enzyme ribonuclease (RNase) is studied. The activity of RNase can be shown by RNA agar plate, where a clear zone is produced after RNA is broken down by the RNase. To unfold the RNase, 2-mercaptoethanol (2-ME) and urea are used as denaturants. 2-ME breaks down the four disulfide bonds of RNase, urea disrupts the polar nature of the solvent, and together they unfold the enzyme completely into a polypeptide chain. This fully unfolded RNase is then allowed to refold after removing the denaturants by dialysis. If the polypeptide chain successfully refolds into its native shape, the RNase will regain its catalytic activity.

Procédure

Mix 5 solutions in 5 microfuge tubes, as below:

1 ml RNase (0.5mg/ml) + 0.9 ml sodium acetate buffer to keep the pH unchanged

1 ml RNase (0.5mg/ml) + 0.9 ml denaturants (2-ME + urea) to unfold the enzyme

dialyzed solution B (dialysis overnight to remove the denaturants for refolding)

boiled 0.1 ml RNase + 0.9 ml buffer (as control)

1 ml buffer + 0.9 ml denaturants (as control)

Incubate the solutions in a 50°C water bath for 5 minutes to speed up the reaction.

Use a cork borer to make five wells in the RNA agar plate using aseptic techniques.

Add 100 μl of each solution into a different well of the agar plate.

Cover the agar plate with lid and incubate at 37°C for 90 minutes.

Overlay the agar plate with 3 ml of 1M perchloric acid for 5 minutes at room temperature. The perchloric acid will make the RNA agar milky.

Pour off the perchloric acid to check whether clear zones are formed around the wells. Measure and compare the diameter of the clear zones.


The Ribosome: Perfectionist Protein-maker Trashes Errors

The enzyme machine that translates a cell's DNA code into the proteins of life is nothing if not an editorial perfectionist.

Johns Hopkins researchers, reporting in the journal Nature January 7, have discovered a new "proofreading step" during which the suite of translational tools called the ribosome recognizes errors, just after making them, and definitively responds by hitting its version of a "delete" button.

It turns out, the Johns Hopkins researchers say, that the ribosome exerts far tighter quality control than anyone ever suspected over its precious protein products which, as workhorses of the cell, carry out the very business of life.

"What we now know is that in the event of miscoding, the ribosome cuts the bond and aborts the protein-in-progress, end of story," says Rachel Green, a Howard Hughes Medical Institute investigator and professor of molecular biology and genetics in the Johns Hopkins University School of Medicine. "There's no second chance." Previously, Green says, molecular biologists thought the ribosome tightly managed its actions only prior to the actual incorporation of the next building block by being super-selective about which chemical ingredients it allows to enter the process.

Because a protein's chemical "shape" dictates its function, mistakes in translating assembly codes can be toxic to cells, resulting in the misfolding of proteins often associated with neurodegenerative conditions. Working with bacterial ribosomes, Green and her team watched them react to lab-induced chemical errors and were surprised to see that the protein-manufacturing process didn't proceed as usual, getting past the error and continuing its "walk" along the DNA's protein-encoding genetic messages.

"We thought that once the mistake was made, it would have just gone on to make the next bond and the next," Green says. "But instead, we noticed that one mistake on the ribosomal assembly line begets another, and it's this compounding of errors that leads to the partially finished protein being tossed into the cellular trash," she adds.

To their further surprise, the ribosome lets go of error-laden proteins 10,000 times faster than it would normally release error-free proteins, a rate of destruction that Green says is "shocking" and reveals just how much of a stickler the ribosome is about high-fidelity protein synthesis.

"These are not subtle numbers," she says, noting that there's a clear biological cost for this ribosomal editing and jettisoning of errors, but a necessary expense.

"The cell is a wasteful system in that it makes something and then says, forget it, throw it out," Green concedes. "But it's evidently worth the waste to increase fidelity. There are places in life where fidelity matters."

The research was funded by the National Institutes of Health with support from the Howard Hughes Medical Institute.

In addition to Rachel Green, Hani S. Zaher, also of Johns Hopkins, was author of the paper.


The Cell's Secret Code

All the proteins in your body are made from protein building blocks called amino acids. There are twenty different amino acids used to make proteins, but there are only 4 different nucleotides in DNA and RNA. How can a 4-letter code specify 20 different amino acids?

Actually, the DNA code is designed to be read as triplets. Each "word" in the code, called a codon, is three letters long. There are also special "start" and "stop" codons that mark the beginning and end of a gene. As you can see, the code is redundant, that is, most of the amino acids have at least two different codons.

Just about every living thing uses this exact code to make proteins from DNA.


Types of Mutations

There are a variety of types of mutations. Two major categories of mutations are germline mutations and somatic mutations.

  • Germline mutations occur in gametes, the sex cells, such as eggs and sperm. These mutations are especially significant because they can be transmitted to offspring and every cell in the offspring will have the mutations.
  • Somatic mutations occur in other cells of the body. These mutations may have little effect on the organism because they are confined to just one cell and its daughter cells. Somatic mutations also cannot be passed on to offspring.

Mutations also differ in the way that the genetic material is changed. Mutations may change an entire chromosome or just one or a few nucleotides.

Chromosomal Alterations

Chromosomal alterations are mutations that change chromosome structure or number. They occur when a section of a chromosome breaks off and rejoins incorrectly or does not rejoin at all. Possible ways these mutations can occur are illustrated in Figure (PageIndex<3>). Chromosomal alterations are very serious. They often result in the death of the organism in which they occur. If the organism survives, it may be affected in multiple ways. An example of a human chromosomal alteration is the mutation that causes Down Syndrome. It is a duplication mutation that leads to developmental delays and other abnormalities. It occurs when the individual inherits an extra copy of chromosome 21. It is also called trisomy ("three-chromosome") 21.

Figure (PageIndex<3>): Chromosomal Alterations. The chromosomal alterations may occur due to deletion or duplication of genes in a chromosome, inversion of a section of a chromosome, insertion of genes from one chromosome to another, or exchanges of genes between two chromosomes.

UNE point mutation is a change in a single nucleotide in DNA. This type of mutation is usually less serious than a chromosomal alteration. An example of a point mutation is a mutation that changes the codon UUU to the codon UCU. Point mutations can be silent, missense, or nonsense mutations, as shown in Table (PageIndex<1>). The effects of point mutations depend on how they change the genetic code.

Table (PageIndex<1>): Point Mutation Types
Taper La description Exemple Effect
Silent mutated codon codes for the same amino acid CAA (glutamine) &rarr CAG (glutamine) rien
Missense mutated codon codes for a different amino acid CAA (glutamine) &rarr CCA (proline) variable
Nonsense a mutated codon is a premature stop codon CAA (glutamine) &rarr UAA (stop) usually serious

Frameshift Mutations

UNE frameshift mutation is a deletion or insertion of one or more nucleotides that changes the reading frame of the base sequence. Deletions remove nucleotides, and insertions add nucleotides. Consider the following sequence of bases in RNA:

AUG-AAU-ACG-GCU = methionine-asparagine-threonine-alanine

Now assume that an insertion occurs in this sequence. Let&rsquos say an UNE nucleotide is inserted after the start codon AUG. Then the sequence of bases becomes:

AUG-AAA-UAC-GGC-U = methionine-lysine-tyrosine-glycine

Even though the rest of the sequence is unchanged, this insertion changes the reading frame and thus all of the codons that follow it. As this example shows, a frameshift mutation can dramatically change how the codons in mRNA are read. This can have a drastic effect on the protein product. Another example of the frameshift mutation due to the deletion of a nucleotide is illustrated in Figure (PageIndex<4>). In this example, a premature stop codon is created by the mutation.

Figure (PageIndex<4>): The image shows how the frame of the coding sequence of a gene changes when a nucleotide gets deleted due to mutation. Normal gene codes for a polypeptide met-lys-phe-gly-ile-val-pro. When a U from the third position of the third codon gets deleted, the polypeptide reduced to met-lys-leu-ala because the third and fourth codons code for different amino acids and the fifth codon converts to a stop codon.


4. Protein Intake during Energy Restriction

20% energy deficit, postabsorptive rates of MPS were found to be reduced by

19% compared to measurements made during body mass maintenance [80]. This decrement in MPS was likely precipitated by reduced intramuscular anabolic signaling, as evidenced by a

35% and 30% lower phosphorylation of Akt Ser473 and 4E-BP1 Thr37/46 , respectively [80]. Given that MPS is an energy-demanding process, the declines observed during caloric restriction likely represent a conservation-oriented mechanism to avoid the inefficient utilization of ATP for growth promoting processes when food availability is low. In line with this thesis, reductions in MPS occur rapidly following the onset of food deprivation. For example, Areta et al. [81] observed a

27% reduction in myofibrillar protein synthesis after only 5 days of energy restriction in young men and women. As energy restriction is prolonged, the changes in MPS appear to plateau at a level suitable to the prevailing nutrient abundance [82].

40% energy-restricted diet. They failed to demonstrate any changes in 26S proteosomal proteolytic activity, but observed a 1.2- and 1.3-fold increase in MuRF1 and atrogin1 mRNA, respectively. These observations led the authors to speculate that MPB is elevated in response to energy restriction [83]. Later, the same group showed that fractional breakdown rate was elevated

60% above basal levels after 10 days of energy deficit, with a small concomitant rise in caspase-3 [84] in a cohort of highly active cyclists. These findings are at odds with findings from our laboratory in response to a comparable dietary intervention. Hector et al. [85] exposed 24 overweight participants to a 10 d period of 40% caloric restriction (relative to energy requirements) and found no significant changes in MPB or any static marker of muscle proteolysis. The disparate observations of Carbone et al. [84] and Hector et al. [85] showing an elevated and an unchanged rate of MPB are difficult to reconcile however, they may be due to the different study populations (active adults in Carbone et al. and overweight adults in Hector et al.). Nonetheless, we contend that there is a compensatory decrease in energy-consuming processes during periods of caloric restriction. Muscle proteolysis, which is accomplished primarily via UPS-mediated degradation, is heavily reliant on ATP to fuel the conjugation and ligation of ubiquitin molecules onto a target substrate [86]. Furthermore, the tight 19S cap of the 26S proteasomal complex prohibits folded proteins from entering the 20S catalytic core [86]. Each subsequent step of protein breakdown is therefore reliant on sufficient energy. Autophagy also plays a key role in macromolecular breakdown during energy-deprived conditions, however the scope of the current review precludes a detailed discussion in this regard. Given the high energy cost of MPB, we propose that it is unlikely that energy-restriction would increase MPB to the extent observed by Carbone et al. [84]. Taken together, efforts to combat the loss of LBM during periods of energy restriction would be most fruitful by employing strategies that minimize the decrements in MPS.

27% decrement observed in postabsorptive MPS during energy restriction, and when paired with protein ingestion, significantly enhanced MPS above values obtained in energy-balance. Using ingestion of deuterium oxide, we also demonstrated a preservation of integrated myofibrillar protein synthesis, which was only observed in participants consuming 2.4 g/kg/day protein [85]. It is important to note that we studied an overweight population and therefore these findings may not be applicable to leaner subjects undergoing periods of energy restriction who, despite higher intakes of protein, may be unable to retain LBM. A meta-analysis [89] demonstrated that leaner subjects with resistance-training experience were more vulnerable to losses in LBM than exercise-naive individuals with a higher body fat percentage. Thus, athletes who tend to be leaner than the general population, and who have more training experience, have been recommended to consume protein intakes upwards of

3 g/kg/day in an attempt to prevent LBM losses during energy restriction [89]. It is important to note, however, that the protein intake necessary to offset reductions in LBM is likely more reliant upon the severity of energy restriction and the amount of resistance exercise habitually performed [90]. Nevertheless, resistance exercise when performed in conjunction with consumption of a higher protein intake is effective for mitigating losses and leading to maintenance or allowing LBM accrual, during energy restriction.


Notes de bas de page

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