SYNTHÈSE DES PROTÉINES: ÉTAPES ET LEURS CARACTÉRISTIQUES - LA BIOLOGIE - 2025

La synthèse des protéines est un événement biologique qui se produit dans pratiquement tous les êtres vivants. Les cellules prennent constamment les informations stockées dans l'ADN et, grâce à la présence de machines spécialisées très complexes, les transforment en molécules protéiques.

Cependant, le code à 4 lettres crypté dans l'ADN n'est pas directement traduit en protéines. Une molécule d'ARN qui fonctionne comme un intermédiaire, appelée ARN messager, est impliquée dans le processus.

Synthèse des protéines.

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Lorsque les cellules ont besoin d'une protéine particulière, la séquence nucléotidique d'une partie appropriée de l'ADN est copiée sur l'ARN - dans un processus appelé transcription - et ceci à son tour est traduit en protéine en question.

Le flux d'informations décrit (ADN vers ARN messager et ARN message vers protéines) provient d'êtres très simples tels que les bactéries et les humains. Cette série d'étapes a été appelée le «dogme» central de la biologie.

Les mécanismes responsables de la synthèse des protéines sont les ribosomes. Ces petites structures cellulaires se retrouvent en grande partie dans le cytoplasme et ancrées au réticulum endoplasmique.

Que sont les protéines?

Les protéines sont des macromolécules constituées d'acides aminés. Ceux-ci constituent près de 80% du protoplasme d'une cellule déshydratée entière. Toutes les protéines qui composent un organisme sont appelées «protéome».

Ses fonctions sont multiples et variées, allant des rôles structurels (collagène) au transport (hémoglobine), catalyseurs de réactions biochimiques (enzymes), défense contre les pathogènes (anticorps), entre autres.

Il existe 20 types d'acides aminés naturels qui sont combinés par des liaisons peptidiques pour former des protéines. Chaque acide aminé est caractérisé par un groupe particulier qui lui confère des propriétés chimiques et physiques particulières.

Étapes et caractéristiques

La manière dont la cellule parvient à interpréter le message d'ADN se produit à travers deux événements fondamentaux: la transcription et la traduction. De nombreuses copies d'ARN, qui ont été copiées à partir du même gène, sont capables de synthétiser un nombre important de molécules protéiques identiques.

Chaque gène est transcrit et traduit de manière différentielle, permettant à la cellule de produire des quantités variables d'une grande variété de protéines. Ce processus implique diverses voies de régulation cellulaires, qui incluent généralement le contrôle de la production d'ARN.

La première étape que la cellule doit faire pour commencer la production de protéines est de lire le message écrit sur la molécule d'ADN. Cette molécule est universelle et contient toutes les informations nécessaires à la construction et au développement des êtres organiques.

Ensuite, nous décrirons comment la synthèse des protéines se produit, commençant ce processus de «lecture» du matériel génétique et se terminant par la production de protéines en soi.

Transcription: de l'ADN à l'ARN messager

Le message sur la double hélice d'ADN est écrit dans un code à quatre lettres correspondant aux bases adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T).

Cette séquence de lettres d'ADN sert de modèle pour construire une molécule d'ARN équivalente.

L'ADN et l'ARN sont des polymères linéaires constitués de nucléotides. Cependant, ils diffèrent chimiquement à deux égards fondamentaux: les nucléotides dans l'ARN sont des ribonucléotides et au lieu de la thymine de base, l'ARN contient de l'uracile (U), qui s'apparie à l'adénine.

Le processus de transcription commence par l'ouverture de la double hélice dans une région spécifique. L'une des deux chaînes agit comme un "modèle" ou un modèle pour la synthèse d'ARN. Les nucléotides seront ajoutés en suivant les règles d'appariement des bases, C avec G et A avec U.

La principale enzyme impliquée dans la transcription est l'ARN polymérase. Il est chargé de catalyser la formation des liaisons phosphodiester qui rejoignent les nucléotides de la chaîne. La chaîne s'étend dans le sens 5 'à 3'.

La croissance de la molécule implique différentes protéines appelées "facteurs d'élongation" qui sont responsables du maintien de la liaison de la polymérase jusqu'à la fin du processus.

Épissage de l'ARN messager

Source: Par BCSteve, de Wikimedia Commons Chez les eucaryotes, les gènes ont une structure spécifique. La séquence est interrompue par des éléments qui ne font pas partie de la protéine, appelés introns. Le terme est opposé à l'exon, qui comprend les portions du gène qui seront traduites en protéines.

L'épissage est un événement fondamental qui consiste en l'élimination des introns de la molécule messagère, pour éliminer une molécule construite exclusivement par des exons. Le produit final est l'ARN messager mature. Physiquement, il se déroule dans le spliceosome, une machinerie complexe et dynamique.

En plus de l'épissage, l'ARN messager subit des codages supplémentaires avant d'être traduit. Un "capot" est ajouté dont la nature chimique est un nucléotide guanine modifié, et à l'extrémité 5 'et une queue de plusieurs adénines à l'autre extrémité.

Types d'ARN

Dans la cellule, différents types d'ARN sont produits. Certains gènes de la cellule produisent une molécule d'ARN messager et cela se traduit en protéine - comme nous le verrons plus tard. Cependant, il existe des gènes dont le produit final est la molécule d'ARN elle-même.

Par exemple, dans le génome de la levure, environ 10% des gènes de levure ont des molécules d'ARN comme produit final. Il est important de les mentionner, car ces molécules jouent un rôle fondamental dans la synthèse des protéines.

- ARN ribosomal: l'ARN ribosomal fait partie du cœur des ribosomes, structures clés pour la synthèse des protéines.

Source: Jane Richardson (Dcrjsr), de Wikimedia Commons Le traitement des ARN ribosomiques et leur assemblage ultérieur en ribosomes se produit dans une structure très visible du noyau - bien qu'elle ne soit pas délimitée par une membrane - appelée nucléole.

- ARN de transfert: il fonctionne comme un adaptateur qui sélectionne un acide aminé spécifique et, avec le ribosome, incorpore le résidu d'acide aminé dans la protéine. Chaque acide aminé est lié à une molécule d'ARN de transfert.

Chez les eucaryotes, il existe trois types de polymérases qui, bien que structurellement très similaires les unes aux autres, jouent des rôles différents.

Les ARN polymérases I et III transcrivent les gènes qui codent pour l'ARN de transfert, l'ARN ribosomal et certains petits ARN. L'ARN polymérase II cible la traduction des gènes codant pour les protéines.

- Petits ARN liés à la régulation: D'autres ARN de courte longueur participent à la régulation de l'expression génique. Ceux-ci incluent les microARN et les petits ARN interférents.

Les microARN régulent l'expression en bloquant un message spécifique, et les petits interférents arrêtent l'expression par dégradation directe du messager. De même, il existe de petits ARN nucléaires qui participent au processus d'épissage de l'ARN messager.

Traduction: de l'ARN messager aux protéines

Une fois que l'ARN messager mûrit par le processus d'épissage et se déplace du noyau au cytoplasme cellulaire, la synthèse des protéines commence. Cette exportation est médiée par le complexe des pores nucléaires - une série de canaux aqueux situés dans la membrane du noyau qui relient directement le cytoplasme et le nucléoplasme.

Dans la vie de tous les jours, nous utilisons le terme «traduction» pour désigner la conversion de mots d'une langue à une autre.

Par exemple, nous pouvons traduire un livre de l'anglais vers l'espagnol. Au niveau moléculaire, la traduction implique le passage de la langue à l'ARN à la protéine. Pour être plus précis, c'est le passage des nucléotides aux acides aminés. Mais comment ce changement de dialecte se produit-il?

Le code génétique

La séquence nucléotidique d'un gène peut être transformée en protéines selon les règles établies par le code génétique. Cela a été déchiffré au début des années 1960.

Comme le lecteur pourra le déduire, la traduction ne peut pas être une ou une, puisqu'il n'y a que 4 nucléotides et 20 acides aminés. La logique est la suivante: l'union de trois nucléotides est connue sous le nom de «triplets» et ils sont associés à un acide aminé particulier.

Puisqu'il peut y avoir 64 triplets possibles (4 x 4 x 4 = 64), le code génétique est redondant. Autrement dit, le même acide aminé est codé par plus d'un triplet.

La présence du code génétique est universelle et est utilisée par tous les organismes vivants qui habitent la terre aujourd'hui. Cette vaste utilisation est l'une des homologies moléculaires les plus frappantes de la nature.

Couplage d'acide aminé pour transférer l'ARN

Les codons ou triplets trouvés dans la molécule d'ARN messager n'ont pas la capacité de reconnaître directement les acides aminés. En revanche, la traduction de l'ARN messager dépend d'une molécule capable de reconnaître et de se lier au codon et à l'acide aminé. Cette molécule est l'ARN de transfert.

L'ARN de transfert peut se plier en une structure tridimensionnelle complexe qui ressemble à un trèfle. Dans cette molécule, il existe une région appelée «anticodon», formée de trois nucléotides consécutifs qui s'apparient avec les nucléotides complémentaires consécutifs de la chaîne d'ARN messager.

Comme nous l'avons mentionné dans la section précédente, le code génétique est redondant, de sorte que certains acides aminés ont plus d'un ARN de transfert.

La détection et la fusion de l'acide aminé correct à l'ARN de transfert est un processus médié par une enzyme appelée aminoacyl-ARNt synthétase. Cette enzyme est responsable du couplage des deux molécules via une liaison covalente.

Le message ARN est décodé par les ribosomes

Pour former une protéine, les acides aminés sont liés entre eux par des liaisons peptidiques. Le processus de lecture de l'ARN messager et de liaison d'acides aminés spécifiques se produit dans les ribosomes.

Ribosomes

Les ribosomes sont des complexes catalytiques composés de plus de 50 molécules de protéines et de divers types d'ARN ribosomal. Chez les organismes eucaryotes, une cellule moyenne contient en moyenne des millions de ribosomes dans l'environnement cytoplasmique.

Structurellement, un ribosome est composé d'une grande et d'une petite sous-unité. Le rôle de la petite partie est de s'assurer que l'ARN de transfert est correctement apparié avec l'ARN messager, tandis que la grande sous-unité catalyse la formation de la liaison peptidique entre les acides aminés.

Lorsque le processus de synthèse n'est pas actif, les deux sous-unités qui composent les ribosomes sont séparées. Au début de la synthèse, l'ARN messager rejoint les deux sous-unités, généralement près de l'extrémité 5 '.

Dans ce procédé, l'allongement de la chaîne polypeptidique se produit par l'ajout d'un nouveau résidu d'acide aminé dans les étapes suivantes: liaison de l'ARN de transfert, formation de la liaison peptidique, translocation des sous-unités. Le résultat de cette dernière étape est le mouvement de l'ensemble du ribosome et un nouveau cycle commence.

Allongement de la chaîne polypeptidique

Dans les ribosomes, trois sites sont distingués: les sites E, P et A (voir image principale). Le processus d'élongation commence lorsque certains acides aminés ont déjà été liés de manière covalente et qu'il y a une molécule d'ARN de transfert sur le site P.

L'ARN de transfert ayant le prochain acide aminé à incorporer se lie au site A par appariement de bases avec l'ARN messager. La partie carboxyl-terminale du peptide est ensuite libérée de l'ARN de transfert au site P en rompant une liaison à haute énergie entre l'ARN de transfert et l'acide aminé qu'il porte.

L'acide aminé libre est attaché à la chaîne et une nouvelle liaison peptidique est formée. La réaction centrale dans tout ce processus est médiée par l'enzyme peptidyl transférase, qui se trouve dans la grande sous-unité des ribosomes. Ainsi, le ribosome voyage à travers l'ARN messager, traduisant le dialecte des acides aminés en protéines.

Comme dans la transcription, des facteurs d'élongation sont également impliqués lors de la traduction des protéines. Ces éléments augmentent la vitesse et l'efficacité du processus.

Terminer la traduction

Le processus de traduction se termine lorsque le ribosome rencontre les codons d'arrêt: UAA, UAG ou UGA. Ceux-ci ne sont reconnus par aucun ARN de transfert et ne se lient à aucun acide aminé.

A ce moment, les protéines appelées facteurs de libération se lient au ribosome et provoquent la catalyse d'une molécule d'eau et non d'un acide aminé. Cette réaction libère l'extrémité carboxyle terminale. Enfin, la chaîne peptidique est libérée dans le cytoplasme cellulaire.

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