Biologie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

19L’expression génétique : transcription et traduction

Un gène de trente mille paires de bases est lu en un quart d’heure en une copie de travail, ramené à deux mille lettres, expédié hors du noyau, et traduit par vingt-cinq ribosomes à la fois en une protéine de cinq cents acides aminés — un toutes les quatre secondes, tant que dure la copie. La cellule y dépense plus d’énergie qu’à toute autre de ses activités. Ce chapitre suit l’information de l’ADN à la protéine : la copie d’un gène en ARN, le remaniement de cet ARN chez les eucaryotes, le code qui fait correspondre des triplets de bases à des acides aminés, le ribosome qui le lit, et ce qu’il advient d’une protéine une fois faite.

19.1 Du gène à la protéine

Proposition 19.1 (Le flux de l’information)

L’information génétique va de l’ADN à l’ARN puis à la protéine. La transcription copie un brin d’un gène en un ARN de même séquence que l’autre brin (avec U à la place de T) ; la traduction lit l’ARN messager trois bases à la fois et assemble les acides aminés correspondants en un polypeptide. Chaque étape emploie l’appariement des bases : ADN avec ARN dans la transcription, messager avec ARN de transfert dans la traduction. La séquence d’une protéine est donc une transcription de la séquence de son gène, et un changement d’une base peut changer un acide aminé — le lien entre mutation et phénotype. L’information ne revient pas de la protéine à l’acide nucléique ; la seule étape inverse, l’ARN copié en ADN par les rétrovirus, ne touche pas à la protéine.

19.2 La transcription

Définition 19.2 (ARN polymérase, promoteur, transcription)

L’ARN polymérase synthétise de l’ARN sur une matrice d’ADN, de $5' \to 3'$ , à partir des quatre ribonucléosides triphosphates, sans amorce. Elle démarre à un promoteur, séquence située juste en amont du gène, qu’elle reconnaît et à laquelle elle se lie ; chez les bactéries, une sous-unité appelée $\sigma$ (sigma) assure la reconnaissance, sur deux portions conservées dix et trente-cinq paires avant le départ. L’enzyme ouvre une quinzaine de paires de l’hélice en une bulle de transcription, copie le brin matrice (lu de $3' \to 5'$ ) en un ARN identique en séquence à l’autre brin, le brin codant, et avance d’environ cinquante nucléotides par seconde en refermant l’hélice derrière elle ; l’ARN se détache à mesure qu’il est fait. Elle s’arrête à un terminateur : chez les bactéries, une séquence auto-complémentaire dont l’ARN se replie en épingle et libère le transcrit. Plusieurs polymérases peuvent se suivre le long d’un gène, de sorte qu’un transcrit peut être lancé chaque seconde.

La transcription. La polymérase ouvre une bulle, apparie des ribonucléotides au brin matrice et les unit de 5' 3' ; l’ARN sort par un canal à mesure que l’enzyme avance. — La transcription. La polymérase ouvre une bulle, apparie des ribonucléotides au brin matrice et les unit de $5' \to 3'$ ; l’ARN sort par un canal à mesure que l’enzyme avance.

Proposition 19.3 (Transcription et maturation de l’ARN chez les eucaryotes)

Les eucaryotes ont trois polymérases : la I pour les grands ARN ribosomiques, la II pour les ARN messagers, la III pour les ARN de transfert et les petits ARN. La polymérase II ne reconnaît pas seule son promoteur : un ensemble de facteurs généraux de transcription s’assemble dessus (sur une séquence TATA située une trentaine de paires en amont dans beaucoup de gènes) et recrute l’enzyme, et des protéines régulatrices fixées à proximité ou au loin en modulent le débit (Chapitre 20). Le transcrit primaire subit une maturation dans le noyau : une coiffe de guanine modifiée est ajoutée à l’extrémité $5'$ , une queue de quelque deux cents adénines (poly-A) à l’extrémité $3'$ , et les introns sont retirés par épissage — un complexe de petits ARN et de protéines, le spliceosome, reconnaît le GU au début de chaque intron et l’AG à sa fin, coupe, et réunit les exons. Ce n’est qu’alors que le messager mûr est exporté vers le cytosol. Beaucoup de gènes sont épissés de plusieurs façons (épissage alternatif), de sorte qu’un gène rend plusieurs protéines ; les vingt mille gènes humains en font peut-être cent mille.

Faits expérimentaux. Sharp et Roberts (1977) hybridèrent un ARN messager viral à l’ADN de son gène et regardèrent les hybrides au microscope électronique : l’ARN s’appariait à l’ADN sur plusieurs portions, et entre elles l’ADN formait des boucles non appariées — les introns, présents dans le gène et absents du message. Des gènes bactériens traités de la même façon ne donnèrent aucune boucle. La taille du transcrit primaire d’un gène, mesurée dans le noyau, correspond au gène ; la taille du messager cytoplasmique correspond aux seuls exons. ∎

Du gène au messager chez un eucaryote : le gène entier est transcrit, puis les introns sont découpés et les exons réunis, une coiffe et une queue poly-A sont ajoutées, et le message mûr quitte le noyau.

19.3 Le code génétique

Définition 19.4 (Le code génétique)

Le code génétique fait correspondre des triplets de bases du messager, les codons, à des acides aminés. Sur les 64 codons, 61 spécifient les vingt acides aminés et trois (UAA, UAG, UGA) sont des signaux stop ; AUG spécifie la méthionine et sert aussi de codon d’initiation, de sorte que tout polypeptide neuf commence par une méthionine. Le code est dégénéré — la plupart des acides aminés ont plusieurs codons, qui diffèrent surtout par la troisième position — non chevauchant, lu sans ponctuation dans un cadre de lecture fixé par le codon d’initiation, et presque universel, le même chez les bactéries, les plantes et les animaux, à quelques variantes près dans les mitochondries : un gène humain introduit dans une bactérie y est lu correctement.

première	deuxième base				troisième
base	U	C	A	G	base
U	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr stop stop	Cys Cys stop Trp	U C A G
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ile Ile Ile Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

Le code génétique. Chaque case donne les quatre codons ayant les première et deuxième bases indiquées et pour troisième base U, C, A, G dans cet ordre. AUG est la méthionine et le signal d’initiation ; UAA, UAG et UGA sont des stops. La troisième base est souvent indifférente : le code est dégénéré.

Proposition 19.5 (Comment le code a été lu)

Le code est un code à triplets non chevauchants, et le sens de chaque codon peut être déterminé par la chimie.

Faits expérimentaux. Crick et Brenner (1961) firent dans un gène de phage des mutations qui ajoutaient ou retiraient une base : un tel changement détruisait la fonction du gène, deux aussi, mais trois insertions (ou trois délétions) rapprochées la rétablissaient — le message est lu par trois, à partir d’un point de départ fixé, et une insertion décale le cadre de tout ce qui suit. Nirenberg et Matthaei (1961) ajoutèrent un ARN synthétique d’uraciles seulement à un extrait acellulaire d’E. coli contenant les vingt acides aminés : il fit une chaîne de phénylalanine seule, donc UUU signifie Phe ; d’autres messagers synthétiques, puis la fixation de trinucléotides isolés à des ribosomes avec leurs ARN de transfert, attribuèrent les soixante-quatre codons dès 1966. ∎

Exemple 19.6 (Lire un message)

Le messager $5'$ -…GCAUGGCUUUCGGAUAA…- $3'$ se lit à partir de l’AUG : AUG GCU UUC GGA UAA — Met-Ala-Phe-Gly-stop : un peptide de quatre résidus. Supprimez le premier G après l’AUG et le cadre se décale : AUG CUU UCG GAU AA… — Met-Leu-Ser-Asp…, une autre protéine, d’une autre longueur. Changez UUC en UUU et rien ne change : les deux sont Phe, une mutation silencieuse.

19.4 La traduction

Définition 19.7 (L’ARN de transfert et ses synthétases)

Un ARN de transfert (Chapitre 11) est l’adaptateur entre codon et acide aminé : son anticodon, trois bases dans une boucle, s’apparie de façon antiparallèle à un codon du message, et son extrémité $3'$ porte l’acide aminé correspondant. L’appariement à la troisième position du codon est lâche (flottement), de sorte qu’une quarantaine d’ARNt suffisent pour soixante et un codons. Chaque ARNt est chargé par son aminoacyl-ARNt synthétase propre, enzyme qui reconnaît à la fois l’acide aminé et l’ARNt et les unit en deux étapes au prix d’un ATP (coupé jusqu’à l’AMP : deux liaisons riches en énergie), en relisant l’acide aminé au passage. Ces vingt enzymes sont le lieu où le code est réellement mis en œuvre : le ribosome ne vérifie pas quel acide aminé porte un ARNt, seulement que son anticodon correspond.

Définition 19.8 (Le ribosome)

Le ribosome est une particule à deux sous-unités, chacune faite d’ARN ribosomique et de protéines (chez les bactéries : une petite sous-unité 30S et une grande 50S, 70S ensemble, $2.5\,\mathrm{MDa}$ ; les ribosomes eucaryotes sont plus grands, 80S). La petite sous-unité fixe le messager et le décode ; la grande tient les ARNt et forme la liaison peptidique — le catalyseur est l’ARN ribosomique lui-même. Trois sites à ARNt s’étendent sur les deux sous-unités : A (aminoacyle, où entre l’ARNt chargé suivant), P (peptidyle, qui tient la chaîne en croissance), E (sortie).

Le ribosome : deux sous-unités serrées sur le messager, deux ARN de transfert dans la fente, la chaîne en croissance sortant par un tunnel de la grande sous-unité.

Proposition 19.9 (Le cycle d’élongation)

La traduction commence quand la petite sous-unité trouve le codon d’initiation — chez les bactéries en appariant une séquence de l’ARN ribosomique à un site situé juste en amont de l’AUG, chez les eucaryotes en fixant la coiffe et en balayant jusqu’au premier AUG — et que l’ARNt initiateur (méthionine) se place dans le site P ; la grande sous-unité s’y joint ensuite. Chaque tour d’élongation ajoute un résidu : un ARNt chargé dont l’anticodon correspond au codon du site A est livré par un facteur d’élongation et vérifié (un GTP) ; l’ARN ribosomique de la grande sous-unité transfère la chaîne en croissance de l’ARNt du site P sur l’acide aminé de l’ARNt du site A, ce qui forme la liaison peptidique ; le ribosome avance d’un codon (un second GTP), ce qui fait passer les ARNt en P et en E, et l’ARNt vide s’en va. À un codon stop, un facteur de terminaison entre dans le site A et la chaîne est libérée par hydrolyse. Les ribosomes bactériens ajoutent quinze à vingt résidus par seconde, les eucaryotes deux à cinq ; plusieurs ribosomes lisent un même message à la fois, formant un polysome.

Un tour d’élongation. Un ARNt chargé est admis dans le site A quand son anticodon correspond ; l’ARN ribosomique unit la chaîne à son acide aminé ; le ribosome avance d’un codon, et l’ARNt vide s’en va. Deux GTP par résidu, plus les deux liaisons riches en énergie dépensées au chargement de l’ARNt.

Des polysomes au microscope électronique : des ribosomes enfilés le long d’un messager, chacun faisant sa propre copie de la protéine.

Méthode 19.10 (Évaluer la synthèse d’une protéine)

Longueur : une protéine de $n$ résidus exige une séquence codante de $3n + 3$ nucléotides (le codon stop compris), dans un messager plus long de ses extrémités non traduites et, dans le gène, de ses introns.
Temps : diviser $n$ par la vitesse d’élongation ( $15\text{ to }20\,$ par seconde chez les bactéries, $2\text{ to }5\,$ chez les eucaryotes) ; le message est lu par un ribosome tous les $80\text{ to }100\,$ nucléotides, de sorte que la production par message est d’une chaîne toutes les (espacement / vitesse) secondes.
Énergie : quatre liaisons phosphate riches en énergie par résidu (deux pour charger l’ARNt, deux GTP sur le ribosome), plus la transcription du message à deux par nucléotide, partagée entre toutes les chaînes que ce message rendra.
Fidélité : environ un acide aminé faux pour $10^4$ codons ; une protéine de $500\,$ résidus est fautive quelque part dans une copie sur vingt — tolérable parce que les protéines sont remplaçables et que les erreurs ne sont pas héritées.

19.5 Après la traduction

Proposition 19.11 (Ce qu’il advient d’un polypeptide neuf)

La chaîne se replie à mesure qu’elle sort, avec l’aide des chaperons (Chapitre 12). Sa destination est écrite dans sa séquence : un peptide signal à l’extrémité N-terminale fixe une particule de reconnaissance du signal qui arrête la traduction, amarre le ribosome au réticulum endoplasmique et engage la chaîne dans sa lumière (Chapitre 6) ; d’autres séquences dirigent les protéines vers les mitochondries, les chloroplastes, le noyau ou les peroxysomes après leur synthèse ; une protéine sans signal reste dans le cytosol. Beaucoup de protéines sont modifiées : la méthionine initiale retirée, des sucres ajoutés dans le RE et le Golgi, des phosphates ajoutés et retirés par des kinases et des phosphatases, des lipides attachés, des morceaux découpés (l’insuline est faite en une chaîne et coupée en deux ; les zymogènes sont coupés pour être activés). Et toute protéine finit par être dégradée : marquée par une petite protéine, l’ubiquitine, puis dépliée et digérée par le protéasome, après une vie de quelques minutes (protéines régulatrices) à quelques mois (hémoglobine) — de sorte que les protéines présentes sont celles que la cellule est en train de faire.

Exemple 19.12 (Les chiffres d’une cellule)

Une E. coli en croissance contient quelque $20\,000$ ribosomes, qui ajoutent chacun vingt résidus par seconde : $4 \times 10^{5}$ résidus par seconde, un million de protéines de $300\,$ résidus en une heure — son propre contenu, ce qu’exige un doublement toutes les heures. La moitié de son énergie va à la synthèse des protéines. Une cellule hépatique contient dix millions de ribosomes et fabrique des protéines pour des semaines d’usage plutôt que pour une division ; un plasmocyte, qui sécrète des anticorps, en consacre presque tous à une seule protéine et en déverse deux mille molécules par seconde.

19.6 Exercices

Exercice 19.1 ★

Donner l’ARN transcrit à partir du brin matrice $3'$ -TACGGATTC- $5'$ , ainsi que le brin codant.

Solution

Solution de Exercice 19.1.

ARN $5'$ -AUGCCUAAG- $3'$ ; brin codant $5'$ -ATGCCTAAG- $3'$ .

Exercice 19.2 ★

Énumérer les trois modifications que subit un transcrit primaire eucaryote avant de quitter le noyau.

Solution

Solution de Exercice 19.2.

Une coiffe en $5'$ (guanine modifiée), une queue poly-A en $3'$ , et le retrait des introns par épissage.

Exercice 19.3 ★

À l’aide du tableau du code, traduire $5'$ -AUGCCGAAAGUUUGA- $3'$ .

Solution

Solution de Exercice 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA : Met-Pro-Lys-Val, puis stop.

Exercice 19.4 ★

Nommer les trois sites à ARNt du ribosome et ce qui s’y passe.

Solution

Solution de Exercice 19.4.

A : l’ARNt chargé entrant est admis et vérifié. P : l’ARNt qui porte la chaîne en croissance ; la liaison se forme entre cette chaîne et l’acide aminé du site A. E : l’ARNt vidé, en partance.

Exercice 19.5 ★★

Un messager de $2400\,$ nucléotides a $150\,$ nucléotides de région $5'$ non traduite et $450\,$ de région $3'$ non traduite plus queue poly-A. Combien de résidus a la protéine ? Combien de temps un ribosome met-il à la faire à quatre résidus par seconde, et combien de ribosomes peuvent lire le message à la fois, à raison d’un pour $90\,$ nucléotides ?

Solution

Solution de Exercice 19.5.

Codant $2400 - 600 = 1800$ nucléotides : 599 résidus (600 codons, dont un stop). Durée $599/4 = 150\,\mathrm{s}$ . Ribosomes $1800/90 = 20$ à la fois.

Exercice 19.6 ★★

Expliquer pourquoi trois insertions rétablissent le cadre de lecture d’un gène alors qu’une ou deux ne le font pas, et à quoi ressemble la protéine issue de la triple insertion.

Solution

Solution de Exercice 19.6.

Le message est lu par trois à partir d’un départ fixé ; une ou deux bases en trop décalent tous les codons suivants et le reste de la protéine n’est plus que du charabia, qui se termine d’ordinaire à un stop prématuré. Trois bases en trop ajoutent un codon et rétablissent le cadre : la protéine a un résidu de plus et quelques résidus faux entre les insertions, et elle fonctionne souvent encore.

Exercice 19.7 ★★

Une mutation change le codon CAG en UAG au milieu d’un gène de $300\,$ codons ; une autre change CAG en CAA ; une troisième le change en CGG. Donner l’effet de chacune sur la protéine.

Solution

Solution de Exercice 19.7.

CAG (Gln) en UAG (stop) : la chaîne s’arrête au résidu 150, protéine tronquée et presque certainement inactive (mutation non-sens). CAG en CAA : toujours Gln, silencieuse. CAG en CGG : Arg à la place de Gln, une substitution (faux-sens) dont l’effet dépend de la position.

Exercice 19.8 ★★

Expliquer pourquoi la fidélité de la traduction repose sur les aminoacyl-ARNt synthétases plutôt que sur le ribosome, et décrire une expérience qui l’a montré (une cystéine fixée à son ARNt est convertie chimiquement en alanine ; où l’alanine se retrouve-t-elle ?).

Solution

Solution de Exercice 19.8.

Le ribosome ne vérifie que l’appariement codon–anticodon ; il ne voit pas l’acide aminé. Si une cystéine fixée sur son ARNt est convertie chimiquement en alanine, le ribosome insère de l’alanine partout où le message dit cystéine : c’est l’ARNt, non l’acide aminé, qui est lu. La synthétase, qui apparie chaque acide aminé au bon ARNt, est donc le vrai traducteur.

Exercice 19.9 ★★

Calculer le coût énergétique, en liaisons riches en énergie, d’une protéine de $400\,$ résidus, et la fraction dépensée sur le ribosome.

Solution

Solution de Exercice 19.9.

$400\times 4 = 1600$ liaisons ; les deux GTP du ribosome par résidu en font la moitié, les deux des synthétases l’autre moitié.

Exercice 19.10 ★★★

Chez les bactéries, les ribosomes commencent à traduire un message encore en cours de transcription ; chez les eucaryotes, ils ne le peuvent pas. Expliquer pourquoi (deux raisons), et ce que cette différence rend possible chez les eucaryotes.

Solution

Solution de Exercice 19.10.

Chez les eucaryotes, le transcrit est fait dans le noyau et les ribosomes sont dans le cytosol, séparés par l’enveloppe ; et le transcrit n’est pas un messager tant qu’il n’a pas été épissé et coiffé. Cette séparation rend possible la maturation elle-même — l’épissage alternatif, le contrôle de l’exportation, et la vérification que le message est complet avant d’être lu.

Exercice 19.11 ★★★

Un gène à cinq exons peut être épissé en incluant ou en sautant l’exon 3 ( $90\,$ nucléotides) et l’exon 4 ( $100\,$ nucléotides). Énumérer les messagers possibles et dire lesquels conservent le cadre de lecture de l’exon 5. Que montre cela de l’épissage alternatif ?

Solution

Solution de Exercice 19.11.

Quatre messagers : avec les deux exons (190 nucléotides ajoutés), avec le 3 seul (90), avec le 4 seul (100), avec aucun des deux (0). Le cadre est conservé si la longueur ajoutée est un multiple de 3 : 0 et 90 le conservent ; 100 et 190 le décalent, de sorte que les messagers à exon 4 seul ou à deux exons lisent l’exon 5 hors cadre et tronquent la protéine. L’épissage alternatif doit respecter le cadre, et c’est pour cela que les exons sont souvent des multiples de trois.

Exercice 19.12 ★★★

« Le code est un accident figé : arbitraire, mais trop coûteux à changer. » Discuter en un paragraphe : ce qui, dans le code, paraît arbitraire, ce qui paraît optimisé (la troisième position, des codons voisins pour des acides aminés voisins), et pourquoi une mutation qui changerait la spécificité d’une synthétase est presque toujours mortelle.

Solution

Solution de Exercice 19.12.

Arbitraire : rien dans la chimie ne dit que UUU doive signifier Phe ; les attributions sont des conventions tenues par les synthétases. Optimisé : la troisième position est la plus dégénérée, de sorte que les erreurs et les mutations qui y tombent sont souvent silencieuses, et des codons qui diffèrent d’une base codent souvent des acides aminés voisins, de sorte qu’une substitution est souvent bénigne — le code minimise les dégâts de l’erreur. Figé : une synthétase qui changerait de spécificité altérerait d’un coup toutes les protéines de la cellule, des milliers à la fois ; presque aucune cellule n’y survit, de sorte que le code ne peut pas dériver et est resté fixé depuis l’ancêtre commun de tous les êtres vivants.

19.7 Problème : d’un gène à une protéine

Problème 19.1

Problème du week-end — un gène de trente kilobases suivi jusqu’à une protéine de cinq cents résidus : transcription chronométrée, épissage pesé, ribosomes comptés, énergie et erreurs évaluées, jusqu’au coût d’une protéine en ATP

Un gène humain s’étend sur $30\,\mathrm{kb}$ avec huit exons totalisant $2000\,$ nucléotides de messager mûr, dont $1503\,$ codent (500 résidus plus le stop). La polymérase II transcrit à $30\,$ nucléotides par seconde ; les ribosomes élongent à $4\,$ résidus par seconde et s’espacent d’un pour $80\,$ nucléotides ; la demi-vie du messager est de $2\,\mathrm{h}$ . Coûts : deux liaisons riches en énergie par nucléotide transcrit, quatre par résidu traduit ; on comptera une liaison riche en énergie pour un ATP. Taux d’erreur : $10^{-5}$ par nucléotide transcrit, $10^{-4}$ par codon traduit.

Partie I — Transcription et épissage.

Combien de temps une polymérase met-elle à transcrire le gène ?
Quelle fraction du transcrit primaire est retirée par l’épissage ?
Combien de nucléotides sont transcrits pour chaque nucléotide de messager mûr ?
Calculer l’ATP dépensé pour transcrire un transcrit primaire.
Si une polymérase démarre toutes les $10\,\mathrm{s}$ , combien de polymérases se trouvent à la fois sur le gène, et combien de messagers le gène produit-il par heure ?
Calculer le nombre d’introns et leur longueur moyenne.
Le spliceosome retire chaque intron en une minute environ, en parallèle. Est-ce l’épissage ou la transcription qui fixe le temps du gène au messager ?
Calculer la longueur physique du gène et celle du messager mûr ( $0.34\,\mathrm{nm}$ par nucléotide).

Partie II — La traduction.

Combien de temps un ribosome met-il à traduire la protéine ?
Combien de ribosomes lisent un messager à la fois ?
Combien de molécules de protéine un messager rend-il par heure ?
Sur sa demi-vie de $2\,\mathrm{h}$ , combien en rend-il en tout (un message de demi-vie $t_{1/2}$ rend, en moyenne, $t_{1/2}/\ln 2$ heures de production pleine) ?
Calculer l’ATP dépensé pour traduire une protéine.
Calculer l’ATP dépensé en transcription par protéine, en partageant le coût du transcrit entre les protéines de la question 12.
Calculer le coût total d’une protéine et la fraction due à la traduction.

Partie III — Les erreurs.

Calculer la probabilité qu’un messager donné porte au moins une erreur de transcription dans ses $1503\,$ nucléotides codants.
Calculer la probabilité qu’une molécule de protéine donnée porte au moins une erreur de traduction.
Environ un quart des changements de nucléotide sont silencieux et un tiers des substitutions d’acides aminés sont inoffensives. Quelle fraction des molécules de protéine fabriquées est défectueuse ?
Un messager défectueux rend des protéines défectueuses pendant deux heures ; une protéine défectueuse n’est qu’une molécule. Expliquer pourquoi la cellule peut se permettre un taux d’erreur de traduction dix fois celui de la transcription, et les deux très au-dessus de celui de la réplication.

Partie IV — Le budget de la cellule. La cellule fabrique $3000$ copies de cette protéine par heure, et en tout $3 \times 10^{9}$ résidus de protéines par jour.

Combien de messagers de ce gène doivent être présents à la fois (chacun rendant le nombre de la question 11) ?
Combien de ribosomes cette protéine occupe-t-elle ?
Calculer l’ATP que la cellule dépense chaque jour pour toute sa synthèse protéique (quatre par résidu) et, à $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , la puissance en watts pour une cellule de $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ .
Comparer à la puissance totale de la cellule si elle consomme $1 \times 10^{9}\,$ ATP par seconde.
Une substance bloque le spliceosome. Prédire son effet sur cette protéine et sur une protéine bactérienne.
Énoncer le résultat : le coût en ATP d’une molécule de la protéine, réparti entre traduction et transcription, et le temps écoulé entre le début de la transcription et la première protéine achevée.

Solution

Solution de Problème 19.1.

1. $30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}$ , soit environ $17\,\mathrm{min}$ . 2. $28\,000/30\,000 = 93\,\%$ . 3. $30\,000/2000 = 15$ . 4. $2\times 30\,000 = 60\,000$ ATP. 5. $1000/10 = 100$ polymérases sur le gène ; 360 messagers par heure. 6. Sept introns, de longueur moyenne $28\,000/7 = 4000\,$ nucléotides. 7. La transcription ( $17\,\mathrm{min}$ ) ; les introns sont épissés à mesure qu’ils sont faits, et le dernier n’ajoute qu’une minute. 8. Gène $30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; messager $0.68\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 9. $500/4 = 125\,\mathrm{s}$ . 10. $2000/80 = 25$ . 11. Une chaîne s’achève toutes les $80/4 = 20\,\mathrm{s}$ : 180 par heure. 12. $2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h}$ de production pleine : environ 520 protéines. 13. $4\times 500 = 2000$ ATP. 14. $60\,000/520 = 115$ ATP par protéine. 15. Environ 2100 ATP, dont $95\,\%$ pour la traduction. 16. $1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%$ . 17. $1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%$ . 18. Transcription : $1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\%$ de messagers défectueux, donc de protéines ; traduction : $5\%\times 0.67 = 3.3\%$ ; environ $4\,\%$ des molécules. 19. Une erreur de protéine se limite à une molécule, bientôt dégradée ; une erreur de messager est recopiée dans des centaines de protéines ; une erreur de réplication est héritée par tous les descendants à jamais. Le coût d’une erreur, et donc l’exactitude qui vaut d’être payée, croît à chaque étape en remontant. 20. $3000/180 = 17$ messagers présents. 21. $17\times 25 = 420$ ribosomes. 22. $3 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10}$ ATP par jour $= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}$ , $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J}$ par jour, soit $1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W}$ — $6\,\mathrm{fW}$ par micromètre cube. 23. $10^9$ ATP par seconde font $8.6 \times 10^{13}$ par jour : la synthèse protéique en représente le centième dans cette cellule à renouvellement lent (chez une bactérie en division, la moitié). 24. Plus de messager mûr : les transcrits primaires s’accumulent dans le noyau et la protéine disparaît à mesure que ses messagers se dégradent, en quelques heures. La protéine bactérienne, dont le gène n’a pas d’introns, n’est pas touchée. 25. Environ 2100 ATP par molécule — 2000 pour la traduction, une centaine pour sa part du transcrit ; première protéine après $1000\,\mathrm{s}$ de transcription, une minute de maturation et d’exportation, et $125\,\mathrm{s}$ de traduction : environ vingt minutes.

Termes définis dans ce chapitre

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