Karamö, le prof virtuelLeçon 7 sur 49
La synthèse des protéines
Je sais décrire les étapes de la traduction de l'ARN messager en protéine dans le cytoplasme et faire les calculs qui relient gène, ARNm et protéine.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Nommer les éléments nécessaires à la traduction et leur rôle
- Décrire l'activation des acides aminés et les trois phases de la traduction : initiation, élongation, terminaison
- Expliquer le rôle des polysomes et le devenir des protéines fabriquées
- Relier par le calcul le nombre de nucléotides, de codons, d'acides aminés et de liaisons peptidiques
Avant de commencer : Les leçons sur l'ARN, le code génétique, l'expression de l'information génétique et la transcription.
1Je découvre
Au marché Madina, Alpha regarde un tailleur coudre un boubou. Le tailleur suit un patron en papier, pièce par pièce. Ses apprentis lui apportent les morceaux de tissu dans le bon ordre, et il les assemble un à un avec sa machine, du col jusqu'au bas du vêtement. Quand le patron indique « fin », il coupe le fil et le boubou est terminé.
Alpha pense à son cours de biologie : dans la cellule, la « machine » serait le ribosome, le « patron » l'ARN messager, les « apprentis » les ARN de transfert, et les « morceaux de tissu » les acides aminés. Mais comment le ribosome sait-il où commencer ? Comment les acides aminés sont-ils accrochés entre eux ? Et comment la cellule fabrique-t-elle autant de protéines, si vite ?
Comment, dans le cytoplasme, l'ARN messager est-il traduit en une protéine ?
2Je comprends
1. Définition et acteurs
La traduction est la synthèse d'une chaîne d'acides aminés (polypeptide) à partir de la séquence des codons d'un ARN messager, selon le code génétique. Elle a lieu dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.
Les éléments nécessaires sont :
| Élément | Rôle |
|---|---|
| ARN messager | porte l'information (la suite des codons) |
| Ribosomes | lisent l'ARNm et relient les acides aminés entre eux |
| ARN de transfert | apportent les acides aminés ; leur anticodon reconnaît le codon |
| Acides aminés libres | matière première de la protéine |
| Enzymes | fixent chaque acide aminé sur son ARNt, forment les liaisons peptidiques |
| Énergie (ATP, GTP) | nécessaire à l'activation des acides aminés et au déplacement du ribosome |
2. L'activation des acides aminés
Avant la traduction, chaque acide aminé doit être fixé sur son ARN de transfert, à l'extrémité 3' de celui-ci. Cette réaction est catalysée par une enzyme spécifique, une aminoacyl-ARNt synthétase, et consomme de l'énergie fournie par l'ATP. Il existe une synthétase pour chaque acide aminé : c'est elle qui garantit que l'ARNt portant l'anticodon correspondant à un codon transporte bien le bon acide aminé.
On obtient un ARNt chargé (aminoacyl-ARNt), prêt à être utilisé par le ribosome.
3. Les trois phases de la traduction
Le ribosome est formé de deux sous-unités : une petite et une grande. La grande sous-unité possède des sites où se logent les ARNt : le site P (qui tient la chaîne en cours de fabrication), le site A (où arrive le nouvel ARNt) et le site E (par où l'ARNt vide sort).
a) L'initiation.
- La petite sous-unité du ribosome se fixe sur l'ARNm, près de l'extrémité 5', et se déplace jusqu'au codon initiateur AUG.
- Un ARNt particulier, portant la méthionine et l'anticodon UAC, s'apparie avec AUG.
- La grande sous-unité s'associe : le ribosome complet est formé, l'ARNt initiateur occupe le site P.
b) L'élongation (se répète pour chaque codon).
- Un ARNt chargé, dont l'anticodon est complémentaire du codon suivant, entre dans le site A.
- Une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé (ou la chaîne) du site P et l'acide aminé du site A. La chaîne est alors portée par l'ARNt du site A.
- Le ribosome avance d'un codon (trois nucléotides) vers l'extrémité 3' de l'ARNm : c'est la translocation. L'ARNt vide quitte le ribosome par le site E, et l'ARNt portant la chaîne se retrouve au site P. Le site A est libre pour le codon suivant.
c) La terminaison.
- Quand un codon stop (UAA, UAG ou UGA) arrive au site A, aucun ARNt ne lui correspond. Un facteur de terminaison s'y fixe.
- La chaîne polypeptidique est libérée ; les deux sous-unités du ribosome se séparent et l'ARNm est libéré.
À la fin, la méthionine initiale est souvent retirée, et la chaîne se replie dans l'espace pour prendre sa forme fonctionnelle.
4. Les polysomes : une production en série
Un même ARNm est lu en même temps par plusieurs ribosomes, placés les uns derrière les autres et espacés régulièrement. L'ensemble ARNm + ribosomes est un polysome (ou polyribosome). Au microscope électronique, on voit un filament (l'ARNm) portant des grains (les ribosomes) d'où partent des chaînes de plus en plus longues vers l'extrémité 3'.
Conséquence : un seul ARNm permet de fabriquer de nombreuses protéines identiques en peu de temps. Avec les nombreuses copies d'ARNm produites par transcription, l'information d'un gène est amplifiée deux fois.
- 1Un gène est transcrit en de nombreux ARNm (plusieurs ARN polymérases)
- 2Chaque ARNm est lu par plusieurs ribosomes (polysome)
- 3Chaque ribosome fabrique une chaîne polypeptidique
- 4Résultat : des milliers de protéines identiques à partir d'un seul gène
5. Le devenir des protéines
- Les protéines fabriquées par des ribosomes libres dans le cytoplasme restent en général dans la cellule (enzymes du cytoplasme, protéines du noyau…).
- Les protéines fabriquées par des ribosomes fixés sur le réticulum endoplasmique granuleux entrent dans le réticulum, passent par l'appareil de Golgi et sont soit sécrétées hors de la cellule (hormones, enzymes digestives, anticorps), soit placées dans la membrane. Ce trajet sera détaillé dans la leçon sur le réticulum endoplasmique.
6. Les calculs de la traduction
Méthode
Pour relier gène, ARNm et protéine :
- Nombre de codons de la partie traduite = nombre de nucléotides traduits ÷ 3.
- Nombre d'acides aminés = nombre de codons − 1 (le codon stop ne code rien).
- Nombre de liaisons peptidiques dans une chaîne de n acides aminés = n − 1.
- Inversement, pour n acides aminés : (n + 1) codons, soit 3(n + 1) nucléotides d'ARNm traduits, et autant de paires de bases dans la partie codante du gène (sans les introns).
Exemple
Une chaîne polypeptidique compte 146 acides aminés (ce qui est le cas de la chaîne bêta de l'hémoglobine humaine, sans la méthionine initiale, qui est retirée). On raisonne ici sur 147 acides aminés, méthionine comprise, au moment de la synthèse.
Nombre de codons traduits : 147 + 1 (stop) = 148 codons.
Nombre de nucléotides d'ARNm traduits : 148 × 3 = 444 nucléotides.
Nombre de liaisons peptidiques formées pendant la synthèse : 147 − 1 = 146.
Nombre de translocations du ribosome : il avance d'un codon après chaque liaison, soit 146 déplacements avant d'atteindre le codon stop.
Exemple
L'ARNm 5'-GGAUGCCUGAAUUUAAGUGACC-3' est traduit. Donner la chaîne, les anticodons utilisés et le nombre de liaisons peptidiques.
Découpage à partir de AUG : GG | AUG CCU GAA UUU AAG UGA | CC.
AUG : Met ; CCU : Pro ; GAA : Glu ; UUU : Phe ; AAG : Lys ; UGA : stop.
Chaîne : Met – Pro – Glu – Phe – Lys (5 acides aminés), donc 4 liaisons peptidiques.
Anticodons (3' vers 5') : UAC, GGA, CUU, AAA, UUC.
3Je retiens
Je retiens
La traduction est la synthèse d'une chaîne d'acides aminés à partir des codons de l'ARNm ; elle a lieu dans le cytoplasme, sur les ribosomes.
Activation : chaque acide aminé est fixé sur son ARNt par une enzyme spécifique, avec de l'ATP.
Initiation : le ribosome s'assemble sur le codon AUG avec l'ARNt portant la méthionine.
Élongation : l'ARNt chargé arrive au site A, une liaison peptidique se forme, le ribosome avance d'un codon (translocation).
Terminaison : au codon stop, la chaîne est libérée et le ribosome se dissocie.
Polysome : plusieurs ribosomes lisent le même ARNm en même temps, d'où une production en série.
n acides aminés : n − 1 liaisons peptidiques ; (n + 1) codons traduits en comptant le stop.
4Erreurs fréquentes
- Placer la traduction dans le noyau : chez les eucaryotes, elle se fait dans le cytoplasme.
- Compter le codon stop comme un acide aminé : il ne code rien, il arrête la traduction.
- Confondre le rôle de l'ARNt et de l'ARNm : l'ARNm porte le message ; l'ARNt apporte les acides aminés.
- Écrire que le ribosome lit l'ARNm de 3' vers 5' : il le lit de 5' vers 3'.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la traduction et donne son lieu.
b) Cite les éléments nécessaires à la traduction.
c) Qu'est-ce qu'un polysome et quel est son intérêt ?
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a) La traduction est la synthèse d'une chaîne d'acides aminés à partir de la séquence des codons d'un ARN messager, selon le code génétique. Elle a lieu dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.
b) L'ARNm, les ribosomes, les ARN de transfert, les acides aminés, des enzymes (dont les aminoacyl-ARNt synthétases) et de l'énergie (ATP, GTP).
c) Un polysome est un ARNm lu en même temps par plusieurs ribosomes. Il permet de fabriquer rapidement de nombreuses copies de la même protéine.
2Exercice 2
Remets dans l'ordre les événements suivants de la traduction :
A. formation d'une liaison peptidique ; B. arrivée d'un codon stop au site A ; C. fixation de la petite sous-unité sur l'ARNm ; D. association de la grande sous-unité ; E. appariement de l'ARNt-méthionine avec AUG ; F. déplacement du ribosome d'un codon.
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C, E, D, A, F, B. (La petite sous-unité se fixe, l'ARNt initiateur s'apparie avec AUG, la grande sous-unité s'associe, une liaison peptidique se forme, le ribosome avance ; les deux dernières étapes se répètent jusqu'à l'arrivée du codon stop.)
3Exercice 3
Le brin transcrit d'un gène bactérien est : 3'-TACAAACTTGGTACT-5'.
a) Écris l'ARNm.
b) Donne la chaîne d'acides aminés (AUG : Met ; UUU : Phe ; GAA : Glu ; CCA : Pro ; UGA : stop).
c) Écris les anticodons dans l'ordre d'utilisation.
d) Combien de liaisons peptidiques la chaîne contient-elle ?
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a) ARNm : 5'-AUGUUUGAACCAUGA-3'.
b) AUG UUU GAA CCA UGA : Met – Phe – Glu – Pro.
c) Anticodons : UAC, AAA, CUU, GGU.
d) 4 acides aminés, donc 3 liaisons peptidiques.
4Exercice 4
Une protéine sécrétée compte 250 acides aminés au moment de sa synthèse (méthionine comprise).
a) Combien de codons de l'ARNm ont été traduits (codon stop compris) ?
b) Combien de nucléotides compte la partie traduite de l'ARNm ?
c) Combien de liaisons peptidiques ont été formées ?
d) Le gène correspondant est-il forcément de la longueur trouvée en b) ? Explique.
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a) 250 + 1 = 251 codons.
b) 251 × 3 = 753 nucléotides.
c) 250 − 1 = 249 liaisons peptidiques.
d) Non. Le gène eucaryote contient des introns, éliminés par l'épissage, ainsi que des séquences non traduites (avant AUG et après le codon stop). Le gène est donc plus long que 753 paires de bases.
5Exercice 5
(Type BAC) On place dans un tube un extrait de cellules contenant des ribosomes, des ARNt, des enzymes, de l'ATP et du GTP, ainsi que les 20 acides aminés, dont la leucine radioactive.
| Tube | Contenu ajouté | Radioactivité dans les protéines formées |
|---|---|---|
| 1 | ARNm de globine | forte |
| 2 | aucun ARNm | nulle |
| 3 | ARNm de globine, sans ATP | nulle |
| 4 | ARNm de globine, ribosomes retirés | nulle |
a) Pourquoi mesure-t-on la radioactivité des protéines ?
b) Analyse chaque résultat et déduis-en les conditions nécessaires à la synthèse des protéines.
c) La protéine formée dans le tube 1 est de la globine, même si l'extrait provient de cellules qui n'en fabriquent pas. Que peux-tu en conclure ?
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a) La leucine radioactive n'est incorporée que dans les protéines fabriquées dans le tube : leur radioactivité mesure donc l'intensité de la synthèse des protéines.
b) Tube 1 : avec tous les éléments, il y a synthèse de protéines. Tube 2 : sans ARNm, aucune synthèse ; l'ARNm est indispensable, il porte l'information. Tube 3 : sans ATP, aucune synthèse ; l'énergie est indispensable (activation des acides aminés). Tube 4 : sans ribosomes, aucune synthèse ; les ribosomes sont indispensables. La synthèse des protéines nécessite donc l'ARNm, les ribosomes, les ARNt et les acides aminés, et de l'énergie.
c) La nature de la protéine fabriquée dépend uniquement de l'ARNm fourni, et non des ribosomes ou des ARNt : ceux-ci sont une « machinerie » commune qui traduit n'importe quel ARNm. C'est l'ARNm qui porte l'information.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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