Biosynthèse des protéines

Schéma synthétique de la transcription de l'ADN en ARN messager chez les eucaryotes.

La première étape de la synthèse des protéines est la transcription d'un gène d'ADN en une molécule d'ARN messager (ARNm). L'ARN a une structure très proche de celle de l'ADN, mais est monocaténaire tandis que l'ADN tend à former des structures bicaténaires, l'ose y est le ribose au lieu du désoxyribose, et l'uracile y remplace la thymine. Ce processus se déroule à l'intérieur même du noyau des cellules d'eucaryotes et dans le cytosol des cellules de procaryotes ; cette différence a des conséquences importantes sur le traitement de l'ARN synthétisé. Chez les eucaryotes, le fait que l'ARN gagne le cytoplasme à travers les pores nucléaires est à l'origine de la dénomination d'ARN « messager". La transcription peut être divisée en trois étapes : initiation, élongation et terminaison, chacune régulée par un grand nombre de protéines, telles que des facteurs de transcription et des coactivateurs qui assurent que le bon gène est bien transcrit. L'initiation commence à partir d'un promoteur, c'est-à-dire d'une séquence nucléotidique recouvrant des séquences typiques telles que la boîte TATA (séquence consensus TATAA) chez les eucaryotes et la boîte de Pribnow (séquence consensus TATAAT) chez les procaryotes. Ces séquences sont riches en paires adénine-thymine, unies par seulement deux liaisons hydrogène, à la différence des paires guanine-cytosine qui sont unies par trois liaison hydrogène : ceci facilite l'ouverture de la double hélice d'ADN par une hélicase, libérant l'un des deux brins pour être copié en ARN. Une ARN polymérase (ARN polymérase II chez les eucaryotes) lit ce segment d'ADN dans le sens 3’ → 5’ tout en synthétisant l'ARN messager dans le sens 5’ → 3’.

Tous les gènes d'une cellule n'encodent pas nécessairement des protéines : un très grand nombre d'entre eux encodent des ARN dits « non codants » car il s'agit non pas d'ARN messager porteurs codons d'acides aminés mais, par exemple, d'ARN ribosomique ou d'ARN de transfert, de sorte que l'ARN messager constitue une partie seulement de l'ARN issue de la transcription des gènes par des ARN polymérases. Chez les procaryotes, le produit de la transcription d'un gène de protéine est directement utilisable comme ARN messager. Chez les eucaryotes, en revanche, on parle de transcrit primaire, qui doit encore subir un certain nombre de modifications post-transcriptionnelles constituant la maturation de l'ARN messager, avant de devenir fonctionnel.

Les principales modifications post-transcriptionnelles de l'ARN pré-messager sont l'ajout d'une coiffe de 7-méthylguanosine triphosphate à l'extrémité 5' et d'une queue poly(A) (50 à 250 nucléotides d'adénine) à l'extrémité 3', puis l'épissage, consistant en l'élimination des introns (segments du gène qui ne codent pas un polypeptide) séparant les exons (qui, eux, sont codants). Cet épissage peut être variable (épissage alternatif).

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  Structure d'un ARN messager typique d'eucaryote, comprenant la coiffe, la région 5’ non traduite, la région codante entre le codon d'initiation et le codon stop, la région 3’ non traduite, et la queue de poly(A).

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  (en) L'ADN est transcrit en ARN qui, chez les eucaryotes, est épissé en ARN messager.

L'ARN messager peut alors être traduit.

Traduction d'un ARN messager en protéine par un ribosome.

Une fois que le brin d'ARN messager a atteint le cytoplasme, où a lieu la traduction, il se lie à un ribosome. Ce dernier est un organite constitué d'une sous-unité 60S et d'une sous-unité 40S chez les eucaryotes, et d'une sous-unité 50S et d'une sous-unité 30S chez les procaryotes. Les ribosomes sont des complexes de protéines et d'ARN dits ARN ribosomiques. Ils assemblent les acides aminés pour former les protéines en fonction de la séquences nucléotidique de l'ARN messager, chaque codon de cette séquence correspondant à un acide aminé de la protéine en cours de synthèse.

Les ribosomes possèdent trois sites notables, notés A, P et E :

• le site A (pour « Acide aminé »), situé sur la petite sous-unité ribosomique, est celui sur lequel l'aminoacyl-ARNt correspondant au codon d'ARNm en cours de lecture vient se lier au complexe ribosome-ARNm ;
• le site P (pour « Peptide »), situé sur la grande sous-unité ribosomique, est celui sur lequel se fixe la chaîne polypeptidique naissante, liée à l'ARNt correspondant au codon précédant celui en cours de lecture ;
• le site E (pour « Exit ») est celui sur lequel vient se fixer l'ARNt débarrassé de la chaîne polypeptidique naissante lorsque celle-ci est transférée depuis le site P vers l'aminoacyl-ARNt du site A.

Initiation

Processus de traduction de l'ARN en protéine

La biosynthèse de la chaîne polypeptidique commence généralement au niveau d'un codon AUG, encodant la méthionine. Chez les procaryotes, c'est un résidu de N-formylméthionine qui est incorporé en position initiale, tandis que, chez les eucaryotes, c'est un résidu de méthionine, qui peut être clivé par la suite. Il existe deux ARN de transferts distincts selon que le codon AUG est un codon d'initiation ou un codon d'élongation.

Le codon d'initiation peut être différent du codon AUG : il peut s'agir par exemple des codons CUG et UUG, qui encodent normalement la leucine, mais, lorsqu'ils sont lus comme codons d'initiation, sont interprétés comme codons de méthionine.

Le brin d'ARN messager est :       A U G G C G U U C A G A A C U G A U A C G U A A
 
Les différents codons sont donc :   AUG · GCG · UUC · AGA · ACU · GAU · ACG · UAA
 
Les ARN de transfert se fixent      UAC   CGC   AAG   UCU   UGA   CUA   UGC   codon-stop 
par complémentarité et apportent     |     |     |     |     |     |     |    reconnu par les
les acides aminés appropriés :      Met   Ala   Phe   Arg   Thr   Asp   Thr   facteurs de terminaison

Les chaînes polypeptidiques nouvellement synthétisées par les ribosomes peuvent subir des modifications post-traductionnelles qui étendent le répertoire des 22 acides aminés protéinogènes en modifiant chimiquement les chaînes latérales de certains résidus. Il peut s'agir par exemple de lier par covalence des groupes fonctionnels tels que phosphate (phosphorylation), acétate (acétylation) ou méthyle (méthylation), voire des oses, des oligosaccharides ou des polysaccharides (glycosylation), ou encore des lipides (prénylation).

D'autres formes de modifications post-traductionnelles consistent à cliver certaines liaisons peptidiques, par exemple d'un précurseur protéique pour former une protéine fonctionnelle, comme c'est par exemple le cas de l'insuline, qui est clivée deux fois après la formation des ponts disulfure.

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  (en) Maturation de la protéine sonic hedgehog (SHH).

Pour découvrir la succession d'étapes qui mène à l'achèvement des protéines, les biologistes utilisent comme technique principale celle du pulse-chase ou pulse-chasse, qui se déroule en quatre grandes étapes.

On prélève à intervalles réguliers des cellules de ce nouveau milieu ; on dispose alors de deux techniques d'exploitation de cette expérience. La première est l'autoradiographie ; la seconde passe par une ultracentrifugation et donne une meilleure précision dans les résultats. On prépare une coupe de la cellule, par fixation puis découpage au microtome. Sur la plaquette obtenue, on dépose un film photographique contenant des grains d'argent, et on laisse le tout reposer quelques semaines à l'obscurité. Les électrons issus de la désintégration des noyaux radioactifs assimilés par la cellule réduisent les ions Ag⁺ en grains noirs d'argent, donnant ainsi une « photographie » de la localisation de la radioactivité cellulaire. On peut ainsi retracer, par observation de lames minces à temps de « chasse » différents, le trajet cellulaire des protéines lors de leur synthèse. Cependant, les électrons de la lame mince peuvent marquer la plaque photographique assez loin de leur zone d'émission (précision de l'ordre du demi-micromètre). Ainsi, on ne peut pas savoir par exemple, si la radioactivité dans un organite est à l'intérieur ou éventuellement juste à l'extérieur de ses parois. On centrifuge à haute vitesse chaque prélèvement de cellules du second milieu. On obtient ainsi, après plusieurs centrifugations successives à des accélérations croissantes, différentes fractions de cellule, classées suivant leur masse. On connaît la correspondance entre les divers organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, noyau) et les fractions après centrifugations. Ainsi, si on mesure la radioactivité de chaque fraction, on peut savoir dans quel organite les acides aminés marqués se trouvaient au moment du prélèvement. On en déduit des courbes de répartition de radioactivité en fonction du temps pour chaque compartiment cellulaire, ce qui permet de retrouver le trajet des acides aminés nouvellement assemblés en protéines..

• Neil A. Campbell et Jane B. Reece, Biologie, traduit par Richard Mathieu, Éd. Éditions du Renouveau Pédagogique Inc., Saint-Laurent (Québec), 3 mars 2004, 1400 p. (ISBN 2-7613-1379-8).