Expression du matériel génétique : de l'ADN aux protéines

Définition

Les protéines sont des macromolécules (grosses molécules composées de plusieurs atomes liés entre eux) constituées d’un enchaînement de quelques à plusieurs centaines d’acides aminés (molécules contenant au moins les éléments carbone « C », hydrogène « H », oxygène « O » et azote « N »).

Vingt acides aminés entrent dans la composition des protéines et leur ordre est codé par le génome. Les chaînes d’acides aminés se replient sur elles-mêmes pour adopter une structure tridimensionnelle. Elles peuvent s’assembler entre elles, ce qui leur confère leurs propriétés fonctionnelles.

De nombreux rôles

Les protéines sont les molécules les plus complexes et les plus variées des êtres vivants. Le génome des mammifères en coderait près de 100 000 différentes. Elles remplissent de nombreux rôles :

Structure : pour permettre par exemple à la cellule de maintenir son organisation dans l'espace.
Transport : afin d’assurer le transfert des différentes molécules dans et en dehors des cellules.
Communication : pour assurer la transmission de molécules dans la cellule ou l'organisme, par exemple les hormones.
Défense : pour lutter contre les éléments étrangers à l’organisme, par exemple les anticorps.
Enzyme : pour catalyser (produire une réaction) l'essentiel des réactions chimiques de la cellule et de l’organisme (digestion…).

En fait, l'immense majorité des fonctions cellulaires sont assurées par des protéines. Elles ont donc un rôle primordial pour l’organisme.

La transcription : élaboration de l’ARN messager (ARNm)

L’ADN est responsable de la synthèse de protéines par l’intermédiaire d’un messager qui lui est chimiquement proche : l’acide ribonucléique ou ARN. La synthèse des protéines débute ainsi par la création de plusieurs « copies de travail » des gènes. C’est la transcription de l’ADN en ARN. Elle se déroule dans le noyau de la cellule.

L’ARN est composé d’une unique chaîne de nucléotides, très semblable à chaque chaîne de l’ADN, à la différence que :

Le sucre en C5 (molécule composée de 5 atomes de carbone) de l’ARN est le ribose (d’où le nom acide ribonucléique) et non le désoxyribose qui entre dans la constitution de l’ADN.
Dans l’ARN, il n’y a pas de thymine (T), celle-ci est remplacée par l’uracile (U).

Remarque : un nucléotide est une chaîne de molécules composée d'une molécule de sucre à 5 atomes de carbone, une molécule contenant les atomes C, H, O et N et un acide phosphorique.

Il existe différents types d’ARN. Celui faisant l’intermédiaire pour la création des protéines est l’ARN messager ou ARNm. Ce dernier est créé par complémentarité avec une partie codante d’un des brins de l’ADN, c’est-à-dire à partir d’une partie de l’ADN constituant un gène (cf. figure 1 ci-dessous). Les nucléotides composant la chaîne de l’ARNm viennent s’associer à ceux de la chaîne d’ADN. L’appariement des bases azotées est donc :

Adénine-Uracile (A-U)
Thymine-Adénine (T-A)
Guanine-Cytosine (G-C)
Et Cytosine-Guanine (C-G)

Ces nucléotides se lient aussi entre eux, créant ainsi la chaîne d’ARNm, qui se dissocie alors de l’ADN. L’ARNm ainsi formé va sortir du noyau. Il rejoint le cytoplasme, où se déroulera la synthèse protéique (cf. figure 1 ci-dessous).

synthèse des protéines dans la cellule — Figure 1 : Synthèse des protéines dans la cellule © IFCE

La traduction : synthèse de la protéine

La traduction est l’étape de création de la protéine par décodage de l’ARNm. Elle repose sur l’intervention de structures nommées ribosomes. Ces dernières sont présentes dans le cytoplasme cellulaire de la cellule (cf. figure 1 ci-dessus). Ces structures effectuent la traduction de l’ARNm en protéine, avec l’intervention des ARN de transfert (ARNt). Ceux-ci ont en effet un rôle essentiel dans l’application du code génétique. Ils servent d’intermédiaire entre l’ARNm et la protéine synthétisée (produite).

L’information génétique des ARNm, codée par la succession des 4 bases composant la chaîne de nucléotides, est alors traduite en une chaîne d’acides aminés constituant la nouvelle protéine. Le code génétique définit la correspondance entre les successions de nucléotides et les 20 acides aminés de base. En fait, chaque combinaison de 3 nucléotides successifs de la chaîne de l’ARNm correspond à 1 acide aminé donné (voir tableau ci-dessous).

Combinaisons de 3 nucléotides aboutissant à la formation des 20 acides aminés de base

Un codon, L'enchaînement de 3 nucléotides nouvellement assemblés, appelé codon, entraîne la formation d'un acide aminé. Exemple : le codon formé de 3 nucléotides Uracile « UUU » entraîne la formation de l'acide aminé Phénylalanine.

Un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons. Exemple : les codons CGU, CGC, CGA, CGG, AGA et AGG codent tous pour former l'acide aminé Arginine.

Certains enchaînements de nucléotides n'aboutissent pas à la formation d'un acide aminé. Ils sont appelés codons « stop » (ou codon de terminaison) et déclenchent l'arrêt de la traduction de la chaîne d'acides aminés, libérant la protéine ainsi formée. À l'opposé, le codon AUG déclenche la lecture de la traduction.

Enfin, l'assemblage des nouveaux acides aminés produits induit la formation de nouvelles protéines par la cellule.