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Biologie

Cours : Biologie > Chapitre 9 

Leçon 8: ADN, ARN et expression d'un gène
Sciences
Biologie
6e année secondaire - 2h
ADN, ARN et expression d'un gène
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Aperçu de la traduction

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Comment la séquence nucléotidique d'un ARNm est-elle traduite en la séquence d'acides aminés d'un polypeptide (protéine) ?

Introduction

Prenez le temps de regarder vos mains. Les os, la peau et les muscles que vous voyez sont constitués de cellules. Et chacune de ces cellules contient plusieurs millions de protéinesstart superscript, 1, end superscript. En fait, les protéines sont des "briques" moléculaires essentielles à la vie de tous les organismes sur Terre !
Comment ces protéines sont-elles produites dans une cellule ? Pour commencer, les instructions de fabrication des protéines sont "écrites" dans l’ADN de la cellule, sous la forme de gènes. Si ce concept est nouveau pour vous, vous pouvez consulter la section sur le passage de l'ADN à l’ARN à la protéine (dogme central) avant d'entrer dans les détails de la construction des protéines.
Fondamentalement, un gène sert à construire une protéine selon un processus en deux étapes :
  • Étape 1 : la transcription ! Ici, la séquence ADN d'un gène est "réécrite" sous la forme d'ARN. Chez les eucaryotes comme vous et moi, l'ARN est traité (et perd souvent quelques morceaux) pour donner un produit final, appelé un ARN messager ou ARNm.
  • Étape 2 : la traduction ! À cette étape, l'ARNm est "décodé" pour fabriquer une protéine (ou un morceau/une sous-unité d'une protéine) qui se compose d'une succession spécifique d'acides aminés.
Le dogme central de la biologie moléculaire indique que l'information circule de l'ADN (gènes) à l'ARNm par le processus de transcription, puis aux protéines à travers le processus de traduction.
_Image modifiée à partir de "Central dogma of molecular biochemistry with enzymes," de Daniel Horspool (CC BY-SA 3.0). L'image modifiée est enregistrée sous une license CC BY-SA 3.0._
Dans cet article, on va se focaliser sur la traduction, avec une vue d'ensemble du processus et des molécules qui l'engagent.

Le code génétique

Au cours de la traduction, une cellule "lit" l’information contenue dans un ARN messager (ARNm) et l’utilise pour construire une protéine. En fait, pour être un peu plus technique, un ARNm n'encode pas toujours une protéine entière, c'est-à-dire qu'il ne fournit pas systématiquement des instructions. Par contre, on peut dire avec certitude qu'il encode toujours un polypeptide, ou une chaîne d'acides aminés.
Tableau du code génétique. Chaque séquence de trois lettres ou nucléotides d'un ARNm correspond à un acide aminé spécifique, ou à un codon d'arrêt. UGA, UAA et UAG sont des codons d'arrêt. AUG est à la fois le codon de la méthionine et le codon d'initiation.
_Crédit d'image : "The genetic code," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
Dans un ARNm, les instructions pour constituer un polypeptide sont les nucléotides de l'ARN (A, U, C et G) lus par groupes de trois. Ces groupes de trois sont appelés codons.
Il y a 61 codons pour les acides aminés, et chacun d'eux est "lu" pour spécifier un certain acide aminé parmi les 20 communément rencontrés dans les protéines. Le codon AUG spécifie l'acide aminé méthionine et agit également comme un codon d'initiation pour signaler le début de la construction d'une protéine.
Il existe trois codons supplémentaires qui ne spécifient pas d'acides aminés. Ces codons d'arrêt UAA, UAG, et UGA (souvent notés codons "stop") indiquent à la cellule quand un polypeptide est terminé. Ensemble, ces relations codon-acide aminé constituent ce qu'on appelle le code génétique, parce qu'il permet aux cellules de "décoder" un ARNm en une chaîne d'acides aminés.
Chaque ARNm contient une série de codons (triplets de nucléotides) qui spécifient chacun un acide aminé. La correspondance entre les codons de l'ARNm et les acides aminés est appelée code génétique.
5' AUG - Méthionine ACG - Thréonine GAG - Glutamate CUU - Leucine CGG - Arginine AGC - Sérine UAG - Stop 3'
Image modifiée à partir de "RNA-codons-aminoacids," par Thomas Splettstoesser (CC BY-SA 4.0). L'image modifiée est sous licence CC BY-SA 4.0.

Aperçu de la traduction

Comment lit-on un ARNm pour fabriquer un polypeptide ? Deux types de molécules jouent un rôle clé dans la traduction : les ARNt et les ribosomes.

Les ARN de transfert (ARNt)

Les ARN de transfert ou ARNt, sont des "ponts" moléculaires qui connectent les codons de l'ARNm aux acides aminés qu'ils encodent. L'une des extrémités de chaque ARNt porte une séquence de trois nucléotides appelée anticodon, qui lie des codons spécifiques de l'ARNm. L'autre extrémité de l'ARNt porte l'acide aminé spécifié par les codons.
Il existe de nombreux différents types d'ARNt. Chaque type lit un ou quelques codons et apporte l'acide aminé correspondant à ces codons.
Les ribosomes sont composés d'une petite et d'une grande sous-unité et présentent trois sites où les ARNt peuvent se lier à un ARNm (sites A, P et E). Chaque ARNt porte un acide aminé spécifique et se lie à un codon complémentaire à son anticodon sur l'ARNm.
Image modifiée à partir de "Translation: Figure 3," par OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).

Les ribosomes

Les ribosomes sont les structures où les polypeptides (protéines) sont fabriqués. Ils sont constitués de protéines et d'ARN (ARN ribosomique ou ARNr). Chaque ribosome présente deux sous-unités, une grande et une petite, qui s'assemblent autour d'un ARNm — comme deux tranches de pain s'assemblent autour du steak dans un hamburger.
Le ribosome fournit un ensemble de sillons où les ARNt peuvent trouver leurs codons correspondants sur la matrice d'ARNm et livrer leurs acides aminés. Ces sillons sont qualifiés de sites A, P et E. En outre, le ribosome agit comme une enzyme et catalyse la réaction chimique qui lie ensemble les acides aminés pour en faire une chaîne.
Vous voulez en savoir plus sur la structure et la fonction des ARNt et des ribosomes ? Consultez l'article ARNt et ribosomes !

Les étapes de la traduction

Vos cellules fabriquent de nouvelles protéines à chaque seconde. Et chacune de ces protéines doit contenir les bons acides aminés, liés ensemble dans l'ordre exact. Cela peut sembler difficile comme tâche, mais, heureusement, vos cellules (ainsi que celles d'autres animaux, des plantes et des bactéries) sont à la hauteur.
Pour voir comment les cellules fabriquent des protéines, divisons la traduction en trois étapes : l'initiation (démarrage), l'élongation (ajouts sur la chaîne protéique) et la terminaison (arrêt).

Le démarrage ou initiation

Lors de l'initiation, les ribosomes s'assemblent autour de l'ARNm à lire et du premier ARNt (qui porte l'acide aminé méthionine, correspondant au codon d'initiation AUG). Cette configuration, appelée le complexe d'initiation, est nécessaire pour que la traduction puisse commencer.

L'extension de la chaîne ou élongation

L'élongation est l'étape où la chaîne d'acides aminés devient plus longue. Au cours de l'élongation, l'ARN est lu, codon après codon, et l’acide aminé correspondant à chaque codon est ajouté à la chaîne protéique en croissance.
Chaque fois qu'un nouveau codon est exposé :
  • Un ARNt correspondant se lie au codon
  • La chaîne d'acides aminés (polypeptide) existante est liée à l'acide aminé de l'ARNt par une réaction chimique
  • L'ARNm est déplacé d'un codon sur le ribosome, ce qui expose un nouveau codon à la lecture
    L'élongation comporte trois étapes :
    1) L'anticodon d'un ARNt entrant s'associe au codon exposé de l'ARNm au niveau du site A.
    2) Une liaison peptidique est formée entre le nouvel acide aminé (dans le site A) et l'acide aminé précédemment ajouté (dans le site P), ce qui transfère le polypeptide du site P vers le site A.
    3) Le ribosome descend d'un codon sur l’ARNm. L’ARNt du site A (qui transporte le polypeptide) se déplace vers le site P. L'ARNt du site P se déplace vers le site E et sort du ribosome.
    Image basée sur un schéma similaire dans Reece et al.squared
Au cours de l’élongation, les ARNt traversent les sites A, P et E du ribosome, comme indiqué ci-dessus. Ce processus se répète plusieurs fois à mesure que de nouveaux codons sont lus et que de nouveaux acides aminés sont ajoutés à la chaîne.
Pour plus de détails sur les étapes de l'élongation, voir l'article sur les étapes de la traduction.

L'arrêt ou terminaison

La terminaison est l'étape au cours de laquelle la chaîne polypeptidique complète est libérée. Elle débute lorsqu'un codon d'arrêt (UAG, UAA ou UGA) entre dans le ribosome, ce qui déclenche une série d'événements qui séparent la chaîne de son ARNt et lui permettent de glisser hors du ribosome.
Après la terminaison, le polypeptide peut encore avoir besoin de se replier en 3D pour acquérir la bonne forme, de subir une étape de maturation (comme le retrait d'acides aminés) et d’être expédié au bon endroit dans la cellule, ou encore de se combiner à d'autres polypeptides afin de produire une protéine fonctionnelle.

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