Le gène : la recette d’une la protéine
Un gène, c’est une partie de l’ADN qui code pour une protéine ou une partie de protéine. Un gène est formé d’une suite bien précise de bases azotées (A, T, C et G) que la cellule utilise comme guide pour fabriquer une protéine.
Les protéines sont essentielles à tous les organismes vivants. Elles ont des formes et des fonctions très variées. Ce sont par exemple les variations dans les protéines de pigmentation qui contribuent au pelage noir et blanc unique du panda. Ou encore, les abeilles ont, dans leurs yeux, des protéines appelées opsines qui leur permettent de voir les rayons ultraviolets et des motifs de fleurs qui sont invisibles pour les humains, ce qui est crucial pour la pollinisation des fleurs.
On peut comparer le génome à un livre de recettes. Le livre contient plusieurs recettes, donc plusieurs gènes qui permettent chacun de produire une protéine particulière.
Allèles : les variantes aux recettes
Un gène peut exister en plusieurs variantes, dans lesquelles une ou plusieurs bases azotées diffèrent. Ces différentes versions d’un gène s’appellent les allèles.
Par exemple, pour la couleur des yeux, on peut posséder les allèles qui contiennent l’information pour le pigment brun, bleu, vert ou gris.
L’expression des gènes
L’ADN contenu dans chacune des cellules d’un organisme est identique. Cependant, seules les parties nécessaires au fonctionnement de la cellule sont exprimées. C’est ce qui permet aux cellules d’être différentes selon leur rôle, par exemple : neurones, cellules musculaires, etc.
Pour ce faire, les cellules vont compacter plus ou moins leur ADN en fonction des zones dont elles ont besoin. C’est ce qu’on appelle l’épigénétique. Lorsqu’un gène est activé, son ADN est transcrit en ARN. Cet ARN messager est ensuite traduit par les ribosomes en une protéine fonctionnelle.
Cette régulation précise assure que chaque gène est exprimé au bon moment et au bon endroit dans l’organisme.
Le saviez-vous:
La taille du génome n’est pas corrélée avec la complexité d’un organisme!
Le génome humain comprend environ 3,2 milliards de paires de bases alors que plus gros génome recensé est celui d’une fougère, nommée Tmesipteris oblanceolata, qui comprend 160 milliards de paires de bases.
Humain | Paris Japonica | Tmesipteris oblanceolata | Nasuia deltocephalinicola (une bactérie) | Arabidopsis Thaliana |
3,2 milliards de paires de bases | 149 milliards de paires de bases | 160 milliards de paires de bases | 112 000 paires de bases | 115 millions de paires de bases |
En savoir plus
Seulement 1% de notre génome code directement pour la synthèse des protéines. Le reste, le génome non codant, joue un rôle dans la régulation des gènes. Ces régions régulatrices de l’ADN comme les amplificateurs, les promoteurs et d’autres séquences, contrôlent l’expression des gènes. Les promoteurs sont localisés près des gènes et servent de point d’ancrage pour le début de la transcription, c’est-à-dire la copie de l’ADN en ARN. Les amplificateurs, quant à eux, agissent à distance pour augmenter l’activité de certains gènes.
Des protéines, appelées facteur de transcription, dirigent le moment ainsi que l’intensité de l’activation ou de la désactivation de certains gènes. C’est grâce à cela que certaines cellules expriment plus certains gènes que d’autres, ne produisent pas toutes les mêmes protéines et ont des fonctions variées.
L’étude et la compréhension de ces régions régulatrices est un pan important de la recherche en génomique.
Source : Les scientifiques ont complété le casse-tête du génome humain (theconversation.com)
Synthèse d’une protéine
Les protéines sont synthétisées dans les cellules, grâce à l’ADN qui servira de guide, ou de livre de recettes, pour leur fabrication.
Étapes de la fabrication d’une protéine:
- L’information de l’ADN pour créer une protéine (le gène) est copiée en ARN messager (ARNm).
- L’ARNm sort du noyau vers le cytoplasme et se lie à un ribosome.
- Le ribosome se déplace vers le réticulum endoplasmique rugueux (RER) puis lit la séquence d’ARNm et assemble les acides aminés, formant ainsi la chaîne polypeptidique.
- Une fois la chaîne complétée, elle est relâchée dans le RER où elle est traitée et repliée en protéine.
- Les protéines se déplacent dans une vésicule de transport du RER vers le complexe de Golgi.
Dans le complexe de Golgi, les protéines sont traitées et distribuées. Certaines sont envoyées à la surface de la cellule, alors que d’autres restent dans le cytoplasme. Le Golgi ajoute des étiquettes chimiques, qui classent les nouvelles protéines selon leur destination finale.
Les protéines qui sont sécrétées, ou qui vont s’intégrer à la membrane cellulaire, bourgeonnent du complexe de Golgi dans des vésicules de transport. Les vésicules fusionnent ensuite à la membrane cellulaire et la protéine est éjectée hors de la cellule ou incorporée dans la membrane
Structure des protéines
Les protéines sont composées d’acides aminés qui se lient ensemble dans un ordre spécifique pour créer des chaînes appelées polypeptides ou chaînes polypeptidiques.
Lorsqu’une protéine est fabriquée, le polypeptide qui la compose doit se replier dans une forme tridimensionnelle spécifique pour fonctionner correctement et accomplir son rôle. Une erreur dans l’ordre des acides aminés ou dans la forme de la protéine peut affecter sa fonctionnalité et être problématique pour l’organisme.
Lorsque la cellule eucaryote fabrique une protéine, la première étape est de localiser le gène cible, soit la séquence d’ADN « recette » qui code pour la protéine désirée.
Une fois le gène localisé, une copie de la séquence d’ADN est créée. C’est la molécule que l’on appelle l’ARN messager (ARNm). ARN est une molécule similaire à l’ADN, mais elle ne forme qu’un seul brin et les bases azotées thymines (T) y sont remplacées par des bases azotées uraciles (U). Plusieurs protéines orchestrent ce processus appelé la transcription.
Contrairement à l’ADN, l’ARNm peut sortir du noyau de la cellule et se rendre jusqu’aux ribosomes, les structures dédiées à la traduction qui sont situées dans le cytoplasme.
Le Codon : un code à 3 lettres
Un codon est une suite de trois des bases azotées qui composent l’ADN et qui code pour un acide aminé particulier. L’ordre des bases azotées d’un codon a une importance fondamentale. Par exemple, C-A-C codera pour l’acide aminé histidine alors que C-C-A codera pour l’acide aminé proline. C’est comme si dans notre livre de recettes, les lettres T-A-R forment le mot rat ou le mot art. Les lettres sont les mêmes, mais leur ordre à une grande importance.
Les ribosomes sont des organites qui « lisent » l’ARNm, un codon après l’autre, et créent la base des protéines (la chaîne polypeptidique). Ce sont eux qui jouent le rôle des cuisiniers et qui lisent et interprètent les recettes des protéines. À chaque codon, un acide aminé est ajouté à la chaîne polypeptidique.
Cela se produit jusqu’à ce que tous les codons soient lus et que le ribosome atteigne un codon stop sur l’ARNm. Les codons stop marquent la fin de la séquence codante. Ils indiquent aux ribosomes de cesser la synthèse de la protéine et de libérer la chaîne polypeptidique nouvellement synthétisée.
À la fin du processus de traduction, la chaîne polypeptidique ainsi produite peut subir des modifications telles que le repliement pour acquérir sa structure tridimensionnelle fonctionnelle, ainsi que l’ajout de groupes chimiques spécifiques. C’est ce qu’on appelle des modifications post-traductionnelles.
L’épissage différentiel permet à un seul gène de coder pour différentes protéines.
Après la transcription de l’ADN en ARNm, l’ARNm est épissé. Certaines parties de l’ARNm (les introns et les exons) peuvent être ajoutées ou retirées.
Les exons sont les parties codantes de l’ARNm, elles déterminent l’ordre des acides aminés de la protéine finale. Les introns sont quant à eux non-codants, ce sont des sections qui ne sont pas utilisées pour former la séquence d’acides aminés.
Grâce à ce mécanisme, différents ARNm sont formés. Ils seront traduits en des protéines différentes qui sont pourtant codées par le même gène.
Pour illustrer l’épissage, utilisons le mot ÉPICURIEN. En retirant certaines lettres, on peut former les mots ÉPI, CURE, RIEN, PIC, ÉCURIE, PRIE, etc. Il se passe la même chose lors de l’épissage des gènes. Une partie de l’information est conservée alors que d’autres parties sont supprimées afin d’obtenir des ARNm différents et donc des protéines différentes.
La forme tridimensionnelle d’une protéine lui donne sa fonction.
Il existe quatre structures qui permettent aux protéines de prendre leur forme définitive :
- Structure primaire : une fois traduite, la protéine se présente sous la forme d’un polypeptide, une longue chaîne d’acides aminés; la protéine n’est pas encore fonctionnelle.
- Structure secondaire : ensuite, la chaîne polypeptidique se replie sur elle-même. Certains atomes d’hydrogène de la chaîne interagissent entre-eux, formant ainsi des structures d’hélices α ou de feuillets β qui donnent de la stabilité à la protéine.
- Structure tertiaire : la protéine prend ensuite sa structure tridimensionnelle finale grâce à des interactions entre ses acides aminés et devient ainsi fonctionnelle.
- Structure quaternaire : certaines protéines sont composées de plusieurs polypeptides. La structure quaternaire est l’agencement entre ces polypeptides.
Certaines protéines plus complexes sont composées de plusieurs polypeptides codés par des gènes différents qui sont liés ensemble.
C’est notamment le cas de l’hémoglobine, une protéine présente dans les globules rouges du sang et responsable du transport de l’oxygène. Elle est composée de quatre sous-unités, chacune formée d’une séquence d’acides aminés spécifique, provenant de différents gènes. La synthèse de l’hémoglobine implique donc la transcription simultanée de plusieurs gènes pour produire les différentes sous-unités. Celles-ci sont ensuite assemblées pour former la protéine finale.
La protéine : les travailleuses de la cellule!
Les protéines sont essentielles au fonctionnement des organismes vivants. Elles sont très variées et accomplissent un grand nombre de fonctions biologiques.
Fonction des protéines
Les protéines accomplissent une multitude de fonctions au sein des organismes vivants. Elles peuvent notamment être des enzymes ou constituer des hormones. Certaines protéines servent à la communication entre les cellules, d’autres servent au transport de différentes molécules alors que d’autres encore jouent un rôle dans la défense des organismes.
Enzymes | Déclenchent des réactions chimiques au sein des organismes vivants et rendent les conditions favorables au bon déroulement de celles-ci. | Par exemple la lactase qui nous permet de digérer le lactose. |
Hormones | Exercent le rôle de messagers chimiques et sont responsables de la transmission d’informations entre différentes parties de l’organisme. | L’insuline est une hormone protéique qui joue un rôle dans la régulation du glucose. |
Protéines de signalisation | Facilitent la communication entre les cellules en s’ancrant par exemple sur la membrane cellulaire et en transmettant des signaux à la cellule. | Par exemple, les récepteurs membranaires permettent aux cellules de recevoir des signaux. |
Protéines contractiles | Permettent aux muscles de se contracter. | C’est le cas de l’actine et de la myosine des protéines qui permettent la contraction musculaire. |
Protéines de transport | Assurent le déplacement de diverses molécules du point A au point B. | L’hémoglobine est une protéine qui permet le transport de l’oxygène. |
Protéines de soutien | Fournissent un appui mécanique aux cellules. | C’est le cas des protéines qui forment le cytosquelette. |
Protéines de défense | Combattent les agents pathogènes externes et en favorisent la cicatrisation des plaies. | Les anticorps permettent de reconnaitre les agents pathogènes. |
Protéines de stockage | Accumulent des réserves de nutriments. | On pense que c’est le rôle qu’occupe l’ovalbumine, la protéine principale du blanc d’œuf. |
Protéines et phénotype
L’ensemble des traits observables d’un organisme, comme la couleur de ses fleurs par exemple, est appelé le phénotype. Ce dernier dépend de protéines qui vont déterminer certaines caractéristiques physiques, et des gènes qui les codent.
- Les variations dans les protéines de pigmentation contribuent au pelage noir et blanc unique du panda.
- La dureté de la coquille d’un escargot est due à la composition des protéines dans sa coquille.
- Certains champignons produisent des métabolites secondaires aux propriétés médicinales ou toxiques.
- Les yaks ont une mutation qui augmente leur production d’hémoglobine, améliorant ainsi leur capacité à transporter l’oxygène en haute altitude.
- Les abeilles ont des protéines appelées opsines qui leur permettent de voir les rayons ultraviolets et des motifs de fleurs qui sont invisibles pour les humains, ce qui est crucial pour la pollinisation des fleurs.
- Certains insectes développent des résistances aux pesticides en produisant des enzymes qui neutralisent les substances chimiques.
- Certains poissons vivant dans des eaux glacées produisent des protéines antigel qui empêchent la formation de cristaux de glace dans le sang, leur permettant de survivre dans des conditions extrêmes.