Introduction à la biologie moléculaire
École Rockefeller1ère année2011/2012
M. HERASSE
I – Protéines et acides nucléiquesI – 1) Les protéinesI – 2) Les acides nucléiques
II – Le flux de l’information génétiqueADN -> ARN -> protéine
III – Divisions cellulaireIII – 1) mitoseIII – 2) différenciation et mort cellulaireIII – 3) méiose
Plan du cours
I
Protéines et acides nucléiques
Polymère d’acides aminésPrésentes dans toutes les cellules de l’organismeA la base de toutes les fonctions biologiquesTrès grande diversité
I - 1 - Les protéines
les acides aminés (AA)
20 acides aminés
propriétés variables en fonction du radical R
Alanine ALA A HArginine ARG R C+Asparagine ASN N PAspartate ASP D C-Cystéine CYS C PGlutamate GLU E C-Glutamine GLN Q PGlycine GLY G -Histidine HIS H P,C+Isoleucine ILE I HLeucine LEU L HLysine LYS K C+Méthionine MET M HPhénylalanine PHE F HProline PRO P HSérine SER S PThréonine THR T PTryptophane TRP W PTyrosine TYR Y PValine VAL V HSélénocystéine SEC U -Pyrrolysine PYL J
8 acides amin és essentiels
=> ne peuvent pas être fabriqués par notre organisme.
structure primaire :séquence
structure secondaire :motifs particuliers
structure tertiaire :forme globale
structure quaternaire :association de plusieurs molécules
Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4
Structure des protéines : 4 niveaux
Structure primaire : s équence
enchaînement linéaire d’AA spécifique définie par un gène donné
Ex : séquence de l'α-lactalbumine humaine :
MRFFVPLFLVGILFPAILAKQFTKCELSQLLKDIDGYGGIALPELICTMFHTSGYDTQAIVENNESTEYGLFQISNKLWCKSSQVPQSRNICDISCDKFLDDDITDDIMCAKKILDIKGIDYWLAHKALCTEKLEQWLCEKL
Structure secondaire
globulaires fibreuses
ex : la globine béta de ex : kératinel'hémoglobine
Structure tertiaire
Exemple clinique : Maladie de Creutzfeld Jakob
(A) Protéine normale(B) protéine prion PrP anormale
Structure quaternaire : association de molécules
ex : hémoglobine
4 chaînes = tétramère
holoprotéines : que des acides aminés
hétéroprotéines :AA + hème
ex: hémoglobine, cytochrome
AA + glucides : glycoprotéines ex: glycoprotéine P
AA + lipides : lipoprotéinesex: LDL
Composition des protéines
Exemple clinique : glycoprotéine P et résistance au x médicaments
A la membrane des cellules
Capable d’expulser des molécules des cellules
=> phénomène de multirésistance aux médicaments (multi-drug resistance) :
chimiothérapie, anti-VIH, immunosuppresseurs
Etudiée en pharmacogénomique
Exemple clinique : Lipoprotéine
Grands complexes de protéines et de lipidesTransport de lipides, hormones, vitamines, etc. dans l’organisme.La coque externe : couche de phospholipides, cholestérol et apolipoprotéines
fonction biologique liée à la forme
Changement de forme = Régulation (activation ou inactivation)
-> la liaison avec une autre molécule, clivage, etc.
Dénaturation = inactivation souvent irréversible-> chaleur, pH extrême, substances chimiques, etc
La chaleur est mortelle pour les organismes vivants puisqu'elle provoque la dénaturation de leurs protéines.
Fonction des protéines (1)
Exemple d ’activation par le clivage : L’insuline
coupure
coupure
A+B =insuline active
Exemple de d énaturation par la chaleur :
La coagulation du blanc d‘œufest irréversible : ne redevient pas liquide lorsqu'on le refroidit
Très grande diversité de fonctions biologiques
Fonction des protéines (2)
Protéines de structures
forme particulière de chaque celluleattachement des cellules les unes aux autresrésistance aux tensionsmouvements intracellulaires
=> tendons, ligaments, armature interne des cellules, toiles d'araignées, cornes, poils, plumes, fibres des caillots sanguins, tissus donnant de la résistance aux organes.
Exemple : Le collag ène
protéine la plus abondante de l'organisme.
=> grosses fibres très résistantes à la traction :apporte souplesse et résistance aux tissus.
Exemple clinique : le scorbut
carence en vitamine C = mauvaise synthèse du collagène :
=> fragilité des vaisseaux sanguins, des tendons, de la peau, etc
=> graves hémorragies
Protéines permettant le mouvement
Ex : la myosine
contraction des cellules musculaires
Transporteurs de substances dans le sang
Plusieurs substances chimiques sont transportées dans l'organisme par le sang en se combinant temporairement à une protéine.
Exemples :
- L'hémoglobine : transport de l'oxygène
- L'albumine sérique : transport des hormones et des acides gras libres
Exemple clinique : la drépanocytose
Transporteurs de substances à travers les membranes
De nombreuses substances chimiques traversent la membrane des cellules par l’intermédiaire de protéines
Ex : canaux Cl- de l’épithélium intestinalco-transporteur glucose/Na+ de l’intestin
Exemple clinique : le choléra (1)
Bactérie Vibrio cholerae => ouverture des canaux Cl-
=> mouvements d’eau massifs hors des cellules => diarrhée, déshydratation, perte de sels => mort
Exemple clinique : le choléra (2)
Thérapie de réhydratation: solution eau + glucose + sel. => utilisation du co-transporteur glucose/Na+ de l’intestin pour un couplage entre l’absorption de l’eau, du sel et du glucose
Hormones protéiques
messagers chimiques dans l’organisme : elles transmettent des informations d’une partie du corps àune autre.La plupart des hormones sont des protéines.
Ex : l'insuline
Identification des cellules :
Ex : protéines de membrane CMH (Complexe Majeur d‘Histocompatibilité)
Très nombreuses et très variables. => pas deux personnes avec les mêmes.
Protéines récepteurs au niveau des membranes
Alertent la cellule de la présence de certaines molécules dans leur environnement.
Ex : Récepteur à l’acétylcholine
contraction
Exemple clinique : myasth énie
Maladie auto-immune : intervention d’anticorps anti-Récepteur à l’acétylcholine (anticorps bloquants)
contractioncontraction
Rôle dans la d éfense contre les infections
Les anticorpsdes millions différentschacun peut reconnaître une molécule spécifique.
Exemple clinique : maladie auto -immune
auto-agressivité du système immunitaire vis à vis des propres constituants de l’organisme
5 à 10 % de la population générale
sclérose en plaques,diabète de type 1, lupus,polyarthrite rhumatoïde,maladie de Crohn, …
Protéines chaperons
Elles assurent le bon repliement des nouvelles protéines synthétisées.Ex : Les chaperonines
Exemple clinique : Le syndrome de Bardet-Biedl
Maladie héréditaire rare : obésité précoce, rétinopathie pigmentaire, polydactylie, troubles cognitifs et anomalies uro-génitales.
Un des gènes responsables est celui d’une chaperonine
Protéines de stockage
Protéines utilisée comme réserve d’acides aminés.
Ex : la caséine est la protéine du lait qui sert de source d’AA pour les bébé des mammifères.
Enzymes
=> Protéines qui déclenchent ou favorisent les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules.
Ex : la trypsinedégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang.
Exemple clinique : inflammation du pancréas
Dans la pancréatite et la mucoviscidose,
la trypsine étant mal évacuée, elle est la principale cause de la réaction inflammatoire du pancréas.
Fonction Exemple Rôle
Elément structural Collagène Apporte une force de tension dans les tissus conjonctifs
Mouvement myosine Actrice de la contraction musculaire
Transporteur sanguin Hémoglobine Transporte l’oxygène des poumons vers les différents tissus
Transporteur membranaire
Canaux Faire passer la barrière de la membrane àdifférentes substances
Hormone Insuline Contrôle la concentration du glucose sanguin
Identification des cellules Protéines du CMH Permet au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules et donc de ne pas les attaquer
Récepteur Récepteur àl’acétylcholine
Présent sur les cellules des muscles, il reçoit l’acétylcholine et induit la contraction musculaire.
Défense contre les infections
Anticorps Se lient à un agent infectieux et permettent sa destruction par les cellules et molécules du système immunitaire
Protéines chaperons Chaperonines Aident au bon repliement des protéines nouvellement synthétisées
Enzyme Trypsine Dégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang
L'ADN (Acide Désoxyribo Nucléique) = support de l'Information Génétique.
Les ARN (Acides Ribo Nucléiques) = les vecteurs de l'Information Génétique.
Fonctions :- Transmission du patrimoine génétique de génération en génération,- Contrôle de la fabrication des protéines.
I - 2 - Les acides nucléiques
sucre + groupement phosphate + base azotée.
5 différents selon la base : A (Adénine), T (Thymine) , G (guanine), C (Cytosine), U (Uracile)
P
Les nucléotides
Partie fixe : squelette sucre- P
Partie variable : la séquence de bases
Séquence : C G T A C T
Structure des acides nucléiques
Complémentarité des bases : A=T et C=G
Appariement de 2 chaînes
Orientation antiparallèle des brins
Formation d’une double hélice ADN
exclusivement dans le noyau de la cellulesous forme de chromosomesporte l’information génétique (les gènes)
ADN (Acides Désoxyribo Nucléiques)
chromosome dénaturé
chromosome condensé
chromatine totalement décondensée
squelette protéique
2 propriétés :
capable de se copier : réplication
détient dans l'ordre de la succession des nucléotides, la matrice de fabrication (synthèse) des protéines => flux d’information génétique
=> en prévision de la division cellulaire.
L’ADN est synthétisé par copie d’une matrices d’ADN déjà existantes.Réplication semi-conservative
Synthèse de l’ADN : réplication
Fabriqués après lecture de l’ADN : transcription
nombreuses familles d’ARN avec des rôles de régulation.
L’ARN messager transporte l'information génétique des molécules d'ADN du noyau au cytoplasme pour la synthèse des protéines
=> flux d’information génétique
ARNs (Acides Ribo Nucléiques)
ADN et ARN :
II
Le flux de l’information génétique
Dogme central = ADN -> ARN -> protéine
2 étapes :
étape nucléaire : transcription
étape cytoplasmique : traduction
Transformation de l’information génétique en protéine
la séquence d'ADN est reproduite dans une séquence d'ARN appelé messager (ARNm)
Même « langue » : l’enchaînement des nucléotides
Etape nucléaire : transcription
Processus d'amplification
l'ARN est produit très rapidement et en grande quantité-> Plusieurs ARN produits simultanément sur un même gène.-> Plusieurs gènes peuvent être transcrits simultanément.
Correspond à la synthèse des protéines
=> ensemble des processus qui permettent de synthétiser une protéine à partir d'un ARN messager.
Langues différentes : nucléotides / acides aminés
Etape cytoplasmique : traduction
Le code g énétique
=> règles de correspondance entre des triplets (codons) de nucléotides et des acides aminés
ARNm AUGCCCGUCAAGUUGCCGUGA
acideaminé
acideaminé
acideaminé
Caractéristiques du code g énétique
universelnon -chevauchantnon -ambigudégénéré (redondant)
NB : code génétique ≠ information génétique.
Tableaudu codegénétiqu
e
Machinerie de traduction : ribosomes
Ribosome
ARNm
Polypeptide
Modélisation 3D de la traduction
Processus d'amplification
Plusieurs ribosomes vont agir sur un mêmeARN m
Régulation du flux d ’information g énétique
ADNgène
transcription
ARNm
sortie du noyau
traduction
fonction protéique
maturation protéique
noyau
cytoplasme
Schéma récapitulatif
Cas particulier des rétrovirus type HIV
Information génétique contenue dans de l’ARN au lieu de l’ADN
Utilise une enzyme pour copier cet ARN en ADN : retrotranscription
L’ADN formé s’intègre dans l’ADN de la cellule
-> étape cible de médicaments antiviraux
Sortie des virus par bourgeonnement
1 Fixation du VIH sur des récepteurs de la cellule cible et pénétration de l'ARN viral dans la cellule
2 Rétrotranscription de l'ARN viral en ADN
34567
Intégration de l’ADN au génome de la cellule hôteTranscription de l’ADN étranger en ARN viralSynthèse des protéines virales Assemblage des particules virales
III
Divisions cellulaires
Cycle cellulaire : succession ordonnée d’événements qui permet à une cellule de dupliquer son matériel génétique puis de se diviser en 2 cellules « filles »identiques.
4 phases : Interphase (G1, S, G2) Mitose : M
III – 1 – Cycle cellulaire et mitose
Formation de chromosomes à 2 chromatides sœurs :Les 46 chromosomes sont dupliqués en 2 chromatidesidentiques, réunis au niveau du centromère.
Un seul centrom ère (!)
Interphase : duplication du matériel génétique (réplication)
6 étapes permettent de passer d’une cellule mère à 2 cellules filles identiques avec le même matériel génétique.
ProphasePrométaphaseMétaphaseAnaphaseTélophaseCytodiérèse
Mitose
noyau
cellule mère
cellule fille
cellule fille
Etapes de la mitose :
A - interphaseB et C - prophaseD - prométaphaseE - métaphaseF - anaphaseG - télophaseH - cytodiérèseI - 2 cellules en Interphase
Le contrôle de la division cellulaire
Contrôle des lésions de l’ADNContrôle de la réplication de l’ADNContrôle de la bonne séparation des chromosomesContrôle de la bonne division des cellules
Exemple clinique : cancer et protéine P53
Rôle dans le contrôle du cycle cellulaire à l’interphase.
=> Si lésions ADN alors blocage du cycleréquisision de la machinerie de réparation de l’ADN
ou induction du processus de mort cellulaire
Gène P53 muté => pas de contrôle
=> Prolifération cellulaire incontrôlée => cancer
Gène P53 = gène suppresseur de tumeur.
Résum é mitose
mitoseréplication de l’ADN
cellule mère46 chr1 chromatide
cellule mère46 chr2 chromatides
cellules filles46 chr1 chromatide
Différents types cellulaires.
=> différenciation
II – 2) différentiation et mort cellulaire
Renouvellement cellulaire et cellules souches:
Types de cellules souches :
Totipotentes=> œuf et cellules souches des premiers stades embryonnaires
Pluripotentes ou multipotentes => donnent différentes cellules d’un même tissu
Unipotentes=> donnent un seul type de cellule
Exemple de cellules souches pluripotentes :
les cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse=> donnent les cellules sanguines (globules rouges, globules blancs et plaquettes).
Exemple de cellules souches unipotentes :
les cellules satellites des fibres musculaires (myoblastes) => fusion et différenciation en grandes cellules musculaires à plusieurs noyaux.
Cycle cellulaire et cellules souches
cellules souches nécessaires pour renouveler les cellules trop différenciées d’un tissu.
Entre en différenciation
Reste cellule souche
La mort cellulaire :
La mort cellulaire intervient dans de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques.
3 types de mort cellulaire :
- la nécrose
- l’apoptose- la mort par autophagie. Morts programmées
Mort accidentelle
Caractéristiques des différentes types de mort cell ulaire :
Diplo ïdie et haplo ïdie
Organisme / cellules diploïdes
cellules haploïdes
cellule diploïde
II - 3) Division cellulaire et reproduction sexuée : la méiose
Méiose
Division cellulaire en 2 phases successives conduisant à la génération de 4 cellules filles haploïdes à partir d’une même cellule mère diploïde.
Première division de m éiose : division réductionnelle
4 étapes :Prophase 1Métaphase 1Anaphase 1Télophase 1
Etapes de la première division de m éiose
Chromosomes homologues
{
chromatides sœurs
Deuxième division de m éiose : division équationnelle
Caractéristiques de la mitose.Pas d’interphase entre les 2 divisions.
4 étapes :Prophase 2 (très réduite)Métaphase 2Anaphase 2Télophase 2 + Cytodiérèse
Etapes de la deuxièmedivision de m éiose
Méiose 1
Méiose 2