Biology · Livre 2 · Grades 10–12

Biologie du lycée

Biologie du lycée · Grades 10–12

14Du gène à la protéine

En 1961, un biochimiste nourrit un extrait acellulaire de bactéries avec un ARN artificiel fait uniquement de la lettre U, répétée. L’extrait fabriqua une protéine faite uniquement d’un acide aminé, la phénylalanine, répété. Cette seule expérience livrait le premier mot du code génétique : UUU signifie phénylalanine. En cinq ans, les soixante-quatre mots étaient connus, et il s’avéra que c’étaient les mêmes mots chez une bactérie, un blé et un humain. Ce chapitre suit le chemin qui va de la séquence de nucléotides d’un gène à la séquence d’acides aminés d’une protéine — le chemin que suit chaque caractère du Chapitre 13.

14.1 Les gènes fabriquent des protéines

Proposition 14.1 (Un gène, une protéine)

Un gène est exprimé quand la cellule utilise sa séquence pour fabriquer la protéine qu’il code. La plupart des caractères dépendent de protéines — enzymes, fibres de structure, transporteurs, récepteurs — et une mutation change un caractère en changeant la protéine que son gène produit.

Faits expérimentaux. Beadle et Tatum (1941) ont irradié des spores d’une moisissure du pain et recueilli des mutants qui ne pouvaient plus pousser sur milieu minimum à moins d’y ajouter une substance précise, comme l’acide aminé arginine. Chaque mutant était privé d’une enzyme de la chaîne de réactions qui fabrique cette substance ; chaque défaut se transmettait comme un gène unique ; et des mutants bloqués à des étapes différentes de la même chaîne portaient des mutations dans des gènes différents. Un gène, une enzyme — et, comme les travaux ultérieurs l’ont généralisé, un gène, une chaîne polypeptidique. ∎

Définition 14.2 (Protéine, séquence d’acides aminés)

Une protéine est une chaîne d’acides aminés, longue de quelques dizaines à plusieurs milliers d’unités, prises dans un jeu de vingt sortes. La séquence — l’ordre des acides aminés — est ce que le gène spécifie ; une fois faite, la chaîne se replie en une forme tridimensionnelle définie que cette séquence détermine, et la forme détermine la fonction. Changez un acide aminé et le repliement, donc la fonction, peuvent changer.

14.2 La transcription : le gène copié en ARN

Définition 14.3 (ARN messager et transcription)

L’ARN (acide ribonucléique) est une chaîne de nucléotides à un seul brin, semblables à ceux de l’ADN, sauf que son sucre est le ribose et que la base uracile (U) y remplace la thymine (T). La transcription est la copie de la séquence d’un gène en une molécule d’ARN messager (ARNm) : l’enzyme ARN polymérase ouvre la double hélice le long du gène, lit un brin (le brin transcrit) et assemble l’ARN complémentaire, U en face de A, A en face de T, G en face de C et C en face de G. L’ARNm a la séquence de l’autre brin du gène, avec U pour T ; il quitte le noyau pour le cytoplasme.

La transcription. L’ARN polymérase ouvre l’hélice, lit le brin transcrit et bâtit un ARN messager complémentaire (U à la place de T). Derrière l’enzyme, l’hélice se referme ; l’ARN se détache.
La transcription. L’ARN polymérase ouvre l’hélice, lit le brin transcrit et bâtit un ARN messager complémentaire (U à la place de T). Derrière l’enzyme, l’hélice se referme ; l’ARN se détache.

Exemple 14.4 (Un transcrit)

Le brin transcrit 3’-TAC GGA CTT ATC-5’ donne l’ARNm 5’-AUG CCU GAA UAG-3’. L’autre brin du gène se lit 5’-ATG CCT GAA TAG-3’ : l’ARNm est la séquence de ce brin avec U pour T, et c’est pourquoi on écrit conventionnellement les séquences de gènes sous la forme de ce brin, le brin codant.

14.3 Le code génétique

Définition 14.5 (Codon et code génétique)

L’ARNm est lu par groupes consécutifs de trois nucléotides, les codons, à partir d’un point de départ défini. Le code génétique est la correspondance entre les 64 codons possibles et les 20 acides aminés : 61 codons spécifient un acide aminé, trois (UAA, UAG, UGA) sont des signaux d’arrêt qui terminent la chaîne, et AUG, qui spécifie la méthionine, sert aussi de codon initiateur. Le code est redondant — la plupart des acides aminés ont plusieurs codons — et universel : la même table sert à tous les organismes connus, à de rares variantes mineures près.

deuxième lettre
premièreUCAGtroisième
UUUU PheUCU SerUAU TyrUGU CysU
UUC PheUCC SerUAC TyrUGC CysC
UUA LeuUCA SerUAA arrêtUGA arrêtA
UUG LeuUCG SerUAG arrêtUGG TrpG
CCUU LeuCCU ProCAU HisCGU ArgU
CUC LeuCCC ProCAC HisCGC ArgC
CUA LeuCCA ProCAA GlnCGA ArgA
CUG LeuCCG ProCAG GlnCGG ArgG
AAUU IleACU ThrAAU AsnAGU SerU
AUC IleACC ThrAAC AsnAGC SerC
AUA IleACA ThrAAA LysAGA ArgA
AUG MetACG ThrAAG LysAGG ArgG
GGUU ValGCU AlaGAU AspGGU GlyU
GUC ValGCC AlaGAC AspGGC GlyC
GUA ValGCA AlaGAA GluGGA GlyA
GUG ValGCG AlaGAG GluGGG GlyG
Le code génétique, lu sur l’ARNm. Chaque codon se trouve par sa première lettre (ligne), sa deuxième lettre (colonne) et sa troisième lettre (rang dans le bloc). AUG est à la fois la méthionine et le signal d’initiation ; trois codons sont des arrêts.

Proposition 14.6 (Comment le code a été lu)

Le sens de chaque codon a été établi expérimentalement.

Faits expérimentaux. Nirenberg et Matthaei (1961) ont ajouté un ARN synthétique fait d’un seul nucléotide répété à un extrait acellulaire contenant des ribosomes, des acides aminés et les enzymes de la synthèse des protéines : le poly-U a donné une chaîne de phénylalanines, le poly-C une chaîne de prolines, le poly-A une chaîne de lysines. Des ARN synthétiques à motifs de deux et de trois lettres, puis la fixation de triplets isolés sur les ribosomes, ont attribué les codons restants d’ici 1966. La longueur de trois lettres avait été déduite de l’arithmétique (deux lettres ne donnent que 16 combinaisons, trop peu pour 20 acides aminés ; trois en donnent 64) et confirmée par des mutations : insérer un ou deux nucléotides dans un gène en détruit la protéine, en insérer trois en restaure une presque normale. ∎

Méthode 14.7 (Traduire une séquence)

  1. Écrire le brin codant (ou transcrire le brin transcrit) : remplacer T par U pour obtenir l’ARNm.
  2. Trouver le premier AUG : c’est l’initiation, et le cadre de lecture est fixé à partir de lui.
  3. Découper l’ARNm en triplets consécutifs à partir de l’AUG et lire chacun dans la table.
  4. S’arrêter au premier codon d’arrêt ; les acides aminés énumérés, dans l’ordre, forment la séquence de la protéine.
  5. Pour un mutant, recommencer et comparer : même protéine (silencieuse), un acide aminé changé (faux-sens), arrêt prématuré (non-sens), tout changé après la mutation (décalage du cadre de lecture).

Exemple 14.8 (Quatre mutations, quatre issues)

Brin codant ATG CCT GAA TTC TAG : ARNm AUG CCU GAA UUC UAG, protéine Met–Pro–Glu–Phe.

  • ATG CCC GAA TTC TAG : CCC est toujours Pro — mutation silencieuse.
  • ATG CCT GCA TTC TAG : GCA est Ala — Met–Pro–Ala–Phe, faux-sens.
  • ATG CCT TAA TTC TAG : UAA est un arrêt — Met–Pro, non-sens, une protéine tronquée.
  • ATG CCAT GAA TTC TAG : un A inséré décale le cadre : AUG CCA UGA… Met–Pro–arrêt — décalage du cadre de lecture.

14.4 La traduction : le message lu

Proposition 14.9 (La traduction)

La traduction se déroule sur les ribosomes, dans le cytoplasme. Un ribosome se fixe sur l’ARNm au niveau de son codon initiateur et le parcourt codon par codon. Chaque codon est reconnu par un ARN de transfert (ARNt), petit ARN qui porte, à une extrémité, l’anticodon de trois nucléotides complémentaire du codon et, à l’autre, l’acide aminé correspondant. Le ribosome joint chaque acide aminé apporté à la chaîne en croissance et libère l’ARNt vide ; à un codon d’arrêt, il libère la chaîne achevée, qui se replie. Plusieurs ribosomes lisent un même ARNm à la suite, et un ARNm donne des centaines de copies de la protéine avant d’être dégradé.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

La traduction. Le ribosome couvre deux codons ; un ARNt dont l’anticodon correspond à chaque codon apporte son acide aminé, la chaîne est transférée sur le nouveau venu, et le ribosome avance d’un codon. À un codon d’arrêt, la chaîne est libérée.
La traduction. Le ribosome couvre deux codons ; un ARNt dont l’anticodon correspond à chaque codon apporte son acide aminé, la chaîne est transférée sur le nouveau venu, et le ribosome avance d’un codon. À un codon d’arrêt, la chaîne est libérée.

Exemple 14.10 (Vitesse et rendement)

Un ribosome ajoute 5 à 20 acides aminés par seconde : une protéine de 300 acides aminés prend moins d’une minute. Les ribosomes se suivent sur un ARNm à environ 80 nucléotides d’intervalle, si bien qu’un message de 900 nucléotides en porte une douzaine à la fois ; sur sa vie de quelques heures, un seul ARNm produit un millier de molécules de protéine. Une cellule d’E. coli fabrique quelque 20 00020\,000 molécules de protéine par seconde ; le précurseur d’un globule rouge, quelque 5×1085 \times 10^{8} molécules d’hémoglobine au cours de son existence.

14.5 Un gène, plusieurs messages

Proposition 14.11 (La maturation du message chez les eucaryotes)

Dans les cellules eucaryotes, la séquence d’un gène est interrompue par des introns, segments qui sont transcrits puis découpés hors de l’ARN avant qu’il ne quitte le noyau ; les segments conservés et raboutés, les exons, forment l’ARNm mature. De nombreux gènes peuvent être découpés de plus d’une façon, en gardant des jeux d’exons différents (l’épissage alternatif), si bien qu’un seul gène donne plusieurs ARNm distincts et plusieurs protéines apparentées : les 20 00020\,000 gènes humains codent bien plus de 100 000100\,000 protéines.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Un gène eucaryote est transcrit en entier, puis les introns sont retirés. Garder tous les exons, ou en laisser un de côté, donne deux ARNm et deux protéines à partir du même gène.
Un gène eucaryote est transcrit en entier, puis les introns sont retirés. Garder tous les exons, ou en laisser un de côté, donne deux ARNm et deux protéines à partir du même gène.

Remarque 14.12 (Le sens du flux d’information)

L’ADN est transcrit en ARN, l’ARN est traduit en protéine, et la protéine fait le caractère : l’information circule dans un seul sens. Une protéine changée ne réécrit jamais le gène, et c’est pourquoi une vie d’entraînement ou de coups de soleil ne s’hérite pas, et pourquoi seules les mutations de l’ADN (Chapitre 13) changent ce que la génération suivante reçoit. Les trois mêmes étapes se déroulent dans chaque cellule de chaque organisme, avec le même code : l’universalité du Chapitre 3, désormais jusqu’au dernier mot.

14.6 Exercices

Exercice 14.1 ★

Donner trois différences entre l’ADN et l’ARN.

Solution

Solution de Exercice 14.1.

L’ARN est simple brin, son sucre est le ribose, et il utilise l’uracile à la place de la thymine (il est aussi de courte durée de vie et quitte le noyau).

Exercice 14.2 ★

Transcrire en ARNm le brin transcrit 3’-TAC CGA AAA ATT-5’.

Solution

Solution de Exercice 14.2.

5’-AUG GCU UUU UAA-3’.

Exercice 14.3 ★

Traduire l’ARNm AUG GGC AAA UGU UAA à l’aide de la table du code.

Solution

Solution de Exercice 14.3.

Met–Gly–Lys–Cys, puis arrêt.

Exercice 14.5 ★

Pourquoi le code doit-il utiliser au moins trois nucléotides par acide aminé ?

Solution

Solution de Exercice 14.5.

Avec 4 lettres, des mots de deux donnent 42=164^2 = 16 combinaisons, moins que les 20 acides aminés ; des mots de trois en donnent 64, ce qui suffit.

Exercice 14.6 ★★

Une protéine compte 412 acides aminés. Quelle est la longueur minimale de la partie codante de son ARNm, codon d’arrêt compris, et celle du gène correspondant en paires de bases ?

Solution

Solution de Exercice 14.6.

412×3+3=1239412 \times 3 + 3 = 1239 nucléotides ; un gène d’au moins 1239 paires de bases (davantage chez un eucaryote, avec les introns).

Exercice 14.7 ★★

Le brin codant ATG AAA GGC TGG TAA est muté en ATG AAA GGC TGA TAA. Donner les deux protéines et classer la mutation.

Solution

Solution de Exercice 14.7.

Originale : Met–Lys–Gly–Trp. Mutant : UGA est un arrêt, donc Met–Lys–Gly : une mutation non-sens, qui tronque la protéine.

Exercice 14.8 ★★

Même séquence de départ, mutée en ATG AAG GGC TGG TAA puis en ATG AAA GGG CTG GTA A. Classer chacune et donner les protéines.

Solution

Solution de Exercice 14.8.

AAG est toujours Lys : silencieuse, Met–Lys–Gly–Trp inchangée. La seconde est une insertion de G qui décale le cadre : AUG AAA GGG CUG GUA A… Met–Lys–Gly–Leu–Val…, un décalage du cadre de lecture sans arrêt dans le fragment.

Exercice 14.9 ★★

Expliquer, à l’aide de la table, pourquoi une substitution en troisième position d’un codon est souvent silencieuse.

Solution

Solution de Exercice 14.9.

Dans la plupart des blocs de la table, les quatre codons qui partagent leurs deux premières lettres spécifient le même acide aminé (Pro, Thr, Ala, Gly, Val, Ser, Leu…) : changer la troisième lettre ne change alors rien. La redondance du code se loge principalement en troisième position.

Exercice 14.10 ★★

Un ARN poly-UC (UCUCUCUC…) donne une protéine qui alterne sérine et leucine. Montrer que c’est compatible avec un code à trois lettres et s’en servir pour attribuer deux codons.

Solution

Solution de Exercice 14.10.

Lu par trois, UCU CUC UCU CUC… alterne deux codons, UCU et CUC, si bien que la protéine alterne deux acides aminés — ce que l’on observe. Avec un code à deux lettres, la même répétition donnerait un seul codon et un seul acide aminé. Comme le poly-U donne Phe et que la table donne UCU pour Ser et CUC pour Leu, l’expérience attribue UCU à Ser et CUC à Leu (ou l’inverse, tranché par d’autres expériences).

Exercice 14.11 ★★

Un gène humain de 30 00030\,000 paires de bases produit une protéine de 500 acides aminés. Expliquer l’écart.

Solution

Solution de Exercice 14.11.

Seules 1503 paires de bases sont nécessaires à la séquence codante ; le reste, ce sont les introns, transcrits puis découpés hors de l’ARN pré-messager, plus les séquences régulatrices aux extrémités du gène.

Exercice 14.12 ★★★

Un médicament bloque les ribosomes bactériens mais non les ribosomes humains. Expliquer pourquoi il peut être un antibiotique, et ce que son existence implique au sujet des ribosomes des deux groupes.

Solution

Solution de Exercice 14.12.

Bloquer la traduction tue la bactérie tout en laissant fonctionner les cellules du patient. La sélectivité du médicament implique que les ribosomes bactériens et humains, bien qu’ils fassent le même travail avec le même code, diffèrent assez par leur structure pour qu’une molécule se fixe sur les uns et non sur les autres — une différence accumulée depuis leur séparation.

Exercice 14.13 ★★★

Expliquer, dans le vocabulaire de ce chapitre, comment le gène de méduse du Chapitre 3 a pu être lu par une souris, et ce qui se passerait si la souris utilisait un autre code.

Solution

Solution de Exercice 14.13.

L’ARN polymérase de la souris a transcrit le gène de méduse, et ses ribosomes et ses ARNt ont traduit l’ARNm avec la même table de codons, si bien que la même séquence d’acides aminés, donc la même protéine fluorescente, a été fabriquée. Avec un code différent, les codons seraient lus comme d’autres acides aminés et la protéine serait une chaîne dénuée de sens et non fluorescente.

Exercice 14.14 ★★★

Une mutation modifie l’ARNt dont l’anticodon lit UAG, de sorte qu’il apporte un acide aminé au lieu d’arrêter la traduction. Prévoir son effet sur les protéines de la cellule en général, et sur un gène mutant porteur d’un UAG prématuré.

Solution

Solution de Exercice 14.14.

UAG n’arrêterait plus la traduction : toute protéine dont le gène se termine par UAG serait prolongée au-delà de sa fin normale, et perdrait souvent sa fonction — un dommage général. Mais un gène tronqué par un UAG prématuré serait désormais lu jusqu’au bout, ce qui restaurerait une protéine presque complète : la seconde mutation supprime la première.

Exercice 14.15 ★★★

Discuter pourquoi un décalage du cadre de lecture près du début d’un gène est presque toujours plus grave qu’un décalage près de sa fin, et pourquoi une mutation faux-sens peut aller de l’anodin au fatal.

Solution

Solution de Exercice 14.15.

Un décalage du cadre brouille tout ce qui suit et rencontre généralement un arrêt en quelques codons : près du début, aucune protéine correcte n’est fabriquée ; près de la fin, l’essentiel de la protéine est intact et peut encore se replier et fonctionner. Une mutation faux-sens change un seul acide aminé : anodine si la position tolère le changement, fatale si elle est au site actif ou si elle rompt le repliement — l’effet dépend de quel acide aminé, et où.

14.7 Problème : un gène lu de quatre façons

Problème 14.1

Problème du week-end — un gène court transcrit, traduit, muté trois fois et chronométré : de l’ADN aux acides aminés, et les soixante secondes que prend une protéine

Le brin codant d’un gène court se lit :

ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA

Partie I — Lire le gène.

  1. Écrire le brin transcrit.
  2. Écrire l’ARNm transcrit à partir du gène.
  3. Le traduire, codon par codon, et donner la séquence d’acides aminés de la protéine.
  4. Combien d’acides aminés la protéine contient-elle, et combien de nucléotides de l’ARNm servent à les spécifier, arrêt compris ?
  5. Quel codon a lancé la lecture, et qu’est-ce qui fixe le cadre de lecture de tous les autres ?

Partie II — Trois mutants.

  1. Mutant 1 : ATG GCT TGG AAA CCG GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Donner la protéine et classer la mutation.
  2. Mutant 2 : ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA avec le neuvième codon CAT remplacé par CGT. Donner la protéine et classer.
  3. Mutant 3 : ATG GCT TGA AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Donner la protéine et classer. Quelle substitution unique l’a produit ?
  4. Mutant 4 : un T est inséré après le sixième nucléotide : ATG GCT TTG GAA ACC CGA ATA CGG TCA TTT CTG A. Donner la protéine et classer.
  5. Classer les quatre mutants du moins au plus perturbant pour la protéine et justifier.

Partie III — Pourquoi le code est ce qu’il est.

  1. Combien de codons spécifient la leucine ? La sérine ? Le tryptophane ? Quel acide aminé a le plus de chances d’être changé par une substitution au hasard dans son codon, et lequel le moins ?
  2. Calculer la fraction des substitutions en troisième position d’un codon de la leucine CUx qui sont silencieuses.
  3. Expliquer pourquoi un code à deux lettres ne pourrait pas fonctionner, et pourquoi un code à quatre n’est pas nécessaire.
  4. Le poly-U donne de la poly-phénylalanine et le poly-A de la poly-lysine. Quelles entrées de la table ces deux expériences établissent-elles ?
  5. Le code est le même chez la bactérie et chez l’humain. Énoncer la conséquence pour la transgenèse et la conséquence pour la parenté.

Partie IV — Chronométrer l’usine. Un ribosome ajoute 10 acides aminés par seconde et les ribosomes se suivent à 80 nucléotides d’intervalle le long d’un ARNm ; chaque ARNm vit 2 heures.

  1. Combien de temps un ribosome met-il à traduire la protéine de ce gène ? Et une protéine de 600 acides aminés ?
  2. Combien de ribosomes peuvent lire à la fois un ARNm de 1800 nucléotides ?
  3. Si un nouveau ribosome démarre toutes les 8 secondes, combien de copies de la protéine un ARNm donne-t-il au cours de sa vie ?
  4. Une bactérie a besoin de 20002000 exemplaires d’une enzyme en 10 minutes. Combien d’ARNm du gène, transcrits en même temps, faut-il ?
  5. Énoncer le résultat : la protéine codée par le gène, celle des quatre mutations qui l’a abolie, et le temps qu’un ribosome met à la construire.
Solution

Solution de Problème 14.1.

1. 3’-TAC CGA ACC TTT GGG CTT ATG CCA GTA AAG ACT-5’.

2. AUG GCU UGG AAA CCC GAA UAC GGU CAU UUC UGA.

3. Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe, arrêt.

4. 10 acides aminés ; 33 nucléotides (11 codons, arrêt compris).

5. AUG ; la position de ce premier AUG fixe le cadre, et tous les codons suivants sont lus en phase à partir de lui.

6. CCG est toujours Pro : silencieuse, protéine inchangée.

7. CGU donne Arg à la place de His : faux-sens, Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–Arg–Phe.

8. UGA est un arrêt : Met–Ala, non-sens. Une seule substitution, G en A dans le troisième codon (TGG en TGA).

9. ARNm AUG GCU UUG GAA ACC CGA AUA CGG UCA UUU CUG A : Met–Ala–Leu–Glu–Thr–Arg–Ile–Arg–Ser–Phe–Leu…, sans arrêt dans le fragment : décalage du cadre de lecture, tous les acides aminés après le deuxième sont changés.

10. Mutant 1 (silencieux, aucun changement) << mutant 2 (un acide aminé changé, fonction peut-être conservée) << mutant 4 (décalage du cadre, tous les acides aminés faux sauf deux) ≈\approx mutant 3 (non-sens, un fragment de deux acides aminés : la protéine a disparu).

11. Leu 6, Ser 6, Trp 1. Trp, avec un codon unique, est changé par toute substitution ; Leu ou Ser, avec six, reste le plus souvent inchangé.

12. CUU, CUC, CUA, CUG sont toutes Leu : chacune des 3 substitutions possibles en troisième position est silencieuse — 100 %.

13. Deux lettres donnent 16 codons, trop peu pour 20 acides aminés plus un arrêt ; trois en donnent 64, déjà bien plus qu’il n’en faut, si bien que quatre (256) serait du gaspillage.

14. UUU == Phe et AAA == Lys.

15. Un gène transféré d’une espèce à l’autre est lu de la même façon, et la transgenèse fonctionne donc ; et un code partagé, hérité sans changement, est une preuve que tous les organismes descendent d’un ancêtre commun qui l’utilisait déjà.

16. 10 acides aminés : 1 s1\,\mathrm{s}. 600 acides aminés : 60 s60\,\mathrm{s}.

17. 1800/80≈221800/80 \approx 22 ribosomes à la fois.

18. 7200/8=9007200/8 = 900 copies.

19. Un ARNm donne 600/8=75600/8 = 75 copies en 10 minutes ; il en faut environ 27.

20. La protéine Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe ; le mutant 3, dont l’unique substitution G en A crée un arrêt au troisième codon, l’a abolie ; un ribosome bâtit les dix acides aminés en une seconde environ.

Termes définis dans ce chapitre

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