Synthèse des protéines

Définition

La synthèse des protéines est un processus au cours duquel les chaînes polypeptidiques sont formées à partir de combinaisons codées d’acides aminés simples à l’intérieur de la cellule. La synthèse de nouveaux polypeptides nécessite une séquence codée, des enzymes et des acides ribonucléiques (ARN) messagers, ribosomiques et de transfert. La synthèse des protéines a lieu dans le noyau et les ribosomes d’une cellule et est régulée par l’ADN et l’ARN.

Étapes de la synthèse des protéines

Les étapes de la synthèse des protéines sont doubles. Tout d’abord, le code d’une protéine (une chaîne d’acides aminés dans un ordre spécifique) doit être copié à partir de l’information génétique contenue dans l’ADN d’une cellule. Cette étape initiale de synthèse des protéines est appelée transcription.

La transcription produit une copie exacte d’une section de l’ADN. Cette copie est connue sous le nom d’ARN messager (ARNm) qui doit ensuite être transporté hors du noyau cellulaire avant que l’étape suivante de la synthèse des protéines puisse commencer.

La deuxième étape de synthèse des protéines est la traduction. La traduction a lieu au sein d’un organite cellulaire appelé ribosome. L’ARN messager se dirige vers le ribosome et s’y connecte sous l’influence de l’ARN ribosomal et des enzymes. L’ARN de transfert (ARNt) est une molécule qui porte un seul acide aminé et une séquence codée qui agit comme une clé. Cette clé s’insère dans une séquence spécifique de trois codes sur l’ARNm, mettant en place l’acide aminé correct. Chaque ensemble de trois bases azotées de l’ARNm est appelé un codon.

La traduction et la transcription seront expliquées beaucoup plus en détail plus loin. Pour que la synthèse des protéines reste simple, nous devons d’abord connaître les bases.

Polypeptides et protéines

Le résultat de la synthèse des protéines est une chaîne d’acides aminés qui ont été attachés, maillon par maillon, dans un ordre spécifique. Cette chaîne est appelée polymère ou polypeptide et est construite selon un code basé sur l’ADN. Vous pouvez vous représenter une chaîne polypeptidique comme un collier de perles, chaque perle jouant le rôle d’un acide aminé. L’ordre dans lequel les perles sont enfilées est copié à partir des instructions contenues dans notre ADN.

Lorsqu’on parle de synthèse des protéines, il est important de faire la distinction entre les chaînes polypeptidiques et les protéines. Toutes les protéines sont des polypeptides mais tous les polypeptides ne sont pas des protéines ; cependant, les protéines et les polypeptides sont tous deux composés de monomères d’acides aminés.

La différence entre une protéine et un polypeptide est la forme. Les plus petites chaînes d’acides aminés – généralement moins de quarante – restent sous forme de brins à chaîne unique et sont appelées polypeptides. Les chaînes plus grandes doivent s’emballer plus étroitement ; elles se plient en structures fixes – secondaires, tertiaires et quaternaires. Lorsqu’une chaîne polypeptidique se replie, on l’appelle une protéine.

Les chaînes polypeptidiques se forment au cours du processus de traduction de la synthèse des protéines. Ces polypeptides peuvent ou non se replier en protéines à un stade ultérieur. Cependant, le terme « synthèse des protéines » est utilisé même dans la communauté scientifique et n’est pas incorrect.

Comprendre la synthèse des protéines est facile quand on imagine notre ADN comme un livre de recettes. Ce livre énumère les instructions qui montrent à une cellule comment fabriquer chaque minuscule partie de chaque système, organe et tissu de notre corps. Toutes ces parties individuelles sont des polypeptides. De la kératine de vos cheveux et de vos ongles aux hormones qui circulent dans votre sang, les polypeptides et les protéines sont les pierres angulaires de toute structure. Notre ADN ne code pas pour les lipides ou les glucides – il ne code que pour les polypeptides.

L’enzyme ARN polymérase ouvre le livre de recettes de l’ADN qui siège à l’intérieur du noyau cellulaire. Elle utilise certains morceaux de code comme des signets pour trouver la bonne page. Ce livre de recettes est écrit dans une langue étrangère – l’ARNm copie ce qui est écrit sans le comprendre. Les recettes sont traduites dans un langage que d’autres molécules pourront déchiffrer ultérieurement. Les traducteurs sont les ribosomes et l’ARNt. Ils lisent la recette et peuvent rassembler les bons ingrédients et, dans le bon ordre, fabriquer le produit polypeptidique fini.

Séquences d’ADN

Dans le noyau, deux brins d’ADN sont maintenus ensemble par des bases azotées (également appelées nucléobases ou bases). Quatre bases – cytosine, guanine, adénine et thymine – forment les lettres des mots du livre de recettes de l’ADN.

Un brin d’ADN contient le code original. Si les instructions de ce code sont soigneusement suivies, un polypeptide spécifique correct peut être assemblé en dehors du noyau. Le second brin d’ADN – le brin matrice – est une image miroir du brin original. Il doit être une image miroir car les nucléobases ne peuvent se fixer qu’à des partenaires complémentaires. Par exemple, la cytosine ne se couple jamais qu’avec la guanine et la thymine ne se couple qu’avec l’adénine.

Vous aurez probablement vu des codes tels que CTA, ATA, TAA, et CCC dans divers manuels de biologie. S’il s’agit des codons (ensembles de trois bases) du brin d’ADN d’origine, le brin matrice s’y attachera en utilisant ses partenaires. Ainsi, en utilisant les exemples donnés, l’ADN matrice se fixera au brin d’ADN d’origine en utilisant GAT, TAT, ATT et GGG.

L’ARN messager copie ensuite le brin matrice. Cela signifie qu’il finit par créer une copie exacte du brin d’origine. La seule différence est que l’ARNm remplace la thymine par une base appelée uracile. La copie par l’ARNm du brin matrice en utilisant les exemples donnés se lirait CUA, AUA, UAA et CCC.

Ces codes peuvent être lus par l’ARN de transfert en dehors du noyau ; la recette peut être comprise par une molécule qui ne comprend pas totalement le langage utilisé dans l’original (elle ne comprend pas la thymine, seulement l’uracile). L’ARN de transfert aide à amener les bonnes pièces sur la chaîne de montage du ribosome. Là, une chaîne de protéines est construite qui correspond aux instructions du brin d’ADN d’origine.

Contributeurs à la synthèse des protéines

Pour réaliser le tronçon de code copié (transcription), nous avons besoin d’enzymes appelées ARN polymérases. Ces enzymes rassemblent les molécules d’ARN messager (ARNm) flottant librement à l’intérieur du noyau et les assemblent pour former les lettres du code. Chaque lettre du code de l’ADN a sa propre clé et chaque nouvelle lettre formée par l’ARNm porte une serrure qui convient à cette clé, un peu comme l’ARNt.

Notez que nous parlons de lettres. C’est important. A l’intérieur du noyau, le code de l’ADN n’est pas compris, simplement recopié – transcrit. Comprendre le code en épelant les mots formés par ces lettres – traduire – se produit à un stade ultérieur.

L’ARN polymérase doit trouver et apporter la molécule d’ARNm appropriée pour chaque base azotée du brin matrice. Les molécules d’ARNm sélectionnées se lient entre elles pour former une chaîne de lettres. Ces lettres finiront par former l’équivalent d’une phrase. Chaque phrase représente un produit (polypeptide) spécifique. Si la recette n’est pas exactement suivie, le produit final pourrait être complètement différent ou ne pas fonctionner aussi bien qu’il le devrait.

L’ARN messager est maintenant devenu le code. Il voyage vers le prochain groupe de contributeurs importants qui travaillent comme des usines de fabrication. Les ribosomes se trouvent à l’extérieur du noyau cellulaire, soit dans le cytoplasme cellulaire, soit attachés au réticulum endoplasmique rugueux ; ce sont les ribosomes qui rendent le réticulum endoplasmique  » rugueux « .

Un ribosome est divisé en deux parties et le brin d’ARNm le traverse comme un ruban dans une machine à écrire à l’ancienne. Le ribosome reconnaît et se connecte à un code spécial au début de la phrase traduite – le codon de départ. Les molécules d’ARN de transfert entrent dans le ribosome, apportant avec elles des ingrédients individuels. Comme pour tous ces processus, des enzymes sont nécessaires pour établir les connexions.

Si chaque codon d’ARNm possède une serrure, l’ARNt possède les clés. La clé de l’ARNt pour un codon d’ARNm s’appelle un anticodon. Lorsqu’une molécule d’ARNt détient la clé qui correspond à un code à trois nucléobases, elle peut ouvrir la porte, déposer sa charge (un acide aminé) et quitter l’usine de ribosomes pour aller chercher une autre charge d’acides aminés. Ce sera toujours le même type d’acide aminé que l’anticodon.

L’ARN messager se déplace le long du ribosome comme sur un tapis roulant. Au codon suivant, une autre molécule d’ARNt (avec la bonne clé) apporte l’acide aminé suivant. Cet acide aminé se lie à l’acide aminé précédent. Une chaîne d’acides aminés liés commence à se former – une chaîne polypeptidique. Une fois terminée, cette chaîne polypeptidique est un produit final précis, fabriqué selon les instructions du livre de recettes de l’ADN. Pas une tarte ou un gâteau mais une chaîne polypeptidique.

La fin du processus de traduction du code de l’ARNm est signalée par un codon stop. Les codons de départ et d’arrêt ne codent pas pour les acides aminés mais indiquent à l’ARNt et au ribosome où une chaîne polypeptidique doit commencer et se terminer.

Le produit fini – le polypeptide nouvellement synthétisé – est libéré dans le cytoplasme. De là, il peut se rendre là où il est nécessaire.

Site de la synthèse des protéines

Le site de la synthèse des protéines est double. La transcription (copie du code) se produit à l’intérieur du noyau cellulaire où se trouve l’ADN. Une fois que la copie de l’ARNm d’une petite section d’ADN a été faite, elle traverse les pores nucléaires et se rend dans le cytoplasme de la cellule. Dans le cytoplasme, le brin d’ARNm se dirige vers un ribosome libre ou fixé au réticulum endoplasmique rugueux. L’étape suivante de la synthèse des protéines – la traduction – peut alors commencer.

Nouveaux rôles pour les ribosomes

La cellule moyenne d’un mammifère contient plus de dix millions de ribosomes. Les cellules cancéreuses peuvent produire jusqu’à 7 500 sous-unités ribosomales (petites et grandes) chaque minute. En tant qu’usine de production de polypeptides, l’existence, le développement et le fonctionnement de chaque organisme vivant dépendent du ribosome.

On pensait auparavant que les ribosomes eucaryotes jouaient uniquement des rôles d’effecteurs dans la synthèse des protéines (provoquait un effet – une nouvelle protéine). Cependant, des recherches récentes montrent désormais que les ribosomes régulent également le processus de traduction. Ils jouent un rôle en décidant quelles protéines sont fabriquées et en quelles quantités. Le succès et les résultats de la traduction ne dépendent pas seulement de la disponibilité d’acides aminés libres et d’enzymes – ils dépendent également de la qualité des ribosomes.

La transcription dans la synthèse des protéines

Le processus de transcription est la première étape de la synthèse des protéines. Cette étape permet de transférer l’information génétique de l’ADN aux ribosomes du cytoplasme ou du réticulum endoplasmique rugueux. La transcription est divisée en trois phases : initiation, élongation et terminaison.

Initiation

L’initiation nécessite deux groupes de protéines particuliers. Le premier groupe est celui des facteurs de transcription – ceux-ci reconnaissent les séquences promotrices dans l’ADN. Une séquence promotrice est une section de code trouvée au début d’un seul gène qui indique où le processus de copie doit commencer et dans quel sens ce code doit être lu. Un promoteur fonctionne un peu comme le codon de départ sur l’ARNm.

Le deuxième groupe de protéines nécessaire à l’initiation de la transcription est constitué des ARN polymérases ADN-dépendantes (RNAP). Une molécule d’ARN polymérase se lie au promoteur. Une fois cette liaison effectuée, l’ADN double brin se déroule et s’ouvre (dézippe).

Les bases connectées maintiennent les deux brins d’ADN sous forme de double hélice. Lorsque les deux brins se dézippent, les bases individuelles et maintenant non liées sont laissées exposées. Le processus de décomposition est répété le long du tronçon d’ADN par les RNAP jusqu’à ce que le point d’arrêt de la transcription ou terminateur soit atteint. L’intitiation implique donc la reconnaissance d’une séquence promotrice et le dézippage d’une section d’ADN sous l’influence de facteurs de transcription et d’ARN polymérases.

Elongation

La phase suivante du processus de transcription est l’élongation. Avec la séquence codée exposée, les RNAP peuvent lire chaque base individuelle adénine, guanine, cytosine ou thymine sur le brin matrice et y connecter la base partenaire correcte. Il est important de se rappeler que l’ARN est incapable de répliquer la thymine et la remplace par la nucléobase connue sous le nom d’uracile.

Si, par exemple, une courte séquence d’ADN sur le brin matrice est représentée par C-A-G-T-T-A ou cytosine-adénine-guanine-thymine-thymine-adénine, la RNAP connectera les bases partenaires correctes obtenues à partir des populations de bases flottant librement dans le noyau. Dans cet exemple, l’ARN polymérase va attacher une base guanine à la cytosine, l’uracile à l’adénine, la cytosine à la guanine et l’adénine à la thymine pour former un brin d’ARN messager avec la séquence de bases azotées codée G-U-C-A-A-U. Ce processus se répète jusqu’à ce que l’enzyme RNAP détecte une séquence du code génétique qui le termine – le terminateur.

Termination

Lorsque les RNAP détectent une séquence terminatrice, la dernière phase de la transcription – la terminaison – a lieu. La chaîne des RNAP se déconnecte de l’ADN et le résultat est un brin d’ARN messager. Cet ARNm porte le code qui finira par indiquer à l’ARNt quels acides aminés apporter à un ribosome.

L’ARN messager quitte le noyau via les pores nucléaires principalement par diffusion mais a parfois besoin de l’aide d’enzymes transporteurs et d’ATP pour atteindre sa destination.

Processus de traduction dans la synthèse des protéines

Pendant le processus de traduction, les petites et grandes sous-unités d’un ribosome se referment sur un brin d’ARNm, le piégeant lâchement à l’intérieur. Les ribosomes organisent le brin en codons ou ensembles de trois lettres de base azotées. En effet, le code d’un seul acide aminé – la forme la plus élémentaire d’une protéine – est un code à trois lettres de base azotée.

Comme les ribosomes reconnaissent des parties du code, on peut dire qu’ils le comprennent. Le fouillis de lettres copiées réalisé lors de la phase de transcription peut être lu et compris lors de la phase de traduction.

Par exemple, GGU, GGC, GGA et GGG codent pour l’acide aminé connu sous le nom de glycine. La plupart des acides aminés ont des codes multiples car cela réduit les risques d’erreurs – si l’ARN polymérase relie accidentellement l’adénine au lieu de la cytosine à GG, cela n’a aucune importance. GGC et GGA codent tous deux pour le même acide aminé. Vous pouvez voir une liste des codons de l’ARNm pour les vingt acides aminés non essentiels ici.

Il n’y a qu’un seul code de codon de départ – AUG. Trois codons – TAA, TAG et TGA – représentent des codons d’arrêt. Ni les codons de départ ni les codons d’arrêt ne correspondent au code d’un acide aminé ; ils sont non codants. L’unique codon de départ et les trois codons d’arrêt sont clairement marqués sur cette roue des codons.

Lorsqu’un codon devient visible – une fois que le codon précédent a été lié à un acide aminé – une section d’une molécule d’ARN de transfert s’insère dans le codon de l’ARNm. Cette  » clé  » s’appelle l’anticodon. L’ARN de transfert a deux rôles – s’attacher à un acide aminé à l’extérieur du ribosome et déployer cet acide aminé au bon moment et à la bonne position sur un brin d’ARNm à l’intérieur du ribosome.

Des dizaines de milliers de molécules d’ARN de transfert produisent une chaîne polypeptidique. La titine ou connectine est la plus grande molécule protéique et contient environ 33 000 acides aminés. Le plus petit polypeptide fonctionnel est le glutathion – seulement trois acides aminés. Pour produire le glutathion, le ribosome et l’ARNt doivent d’abord lire le codon de départ (trois bases), puis lire le premier codon codant pour la protéine (trois bases), le deuxième (trois bases), le troisième (trois bases) et le codon d’arrêt (trois bases). Les recettes (séquences) d’ADN et d’ARNm codant pour le glutathion contiennent neuf bases. Il peut y avoir ou non des sections supplémentaires d’ADN non codant dans cette recette. Les séquences non codantes ne produisent pas d’acides aminés.

Comme pour le processus de transcription, la traduction au sein du ribosome est également divisée en trois étapes : initiation, élongation et terminaison.

L’initiation implique la reconnaissance par le ribosome du codon de départ de l’ARNm. L’élongation fait référence au processus par lequel le ribosome se déplace le long de la transcription de l’ARNm, reconnaissant et exposant les codons individuels afin que l’ARNt puisse apporter les bons acides aminés. Le bras anticodon de l’ARNt se fixe au codon approprié de l’ARNm sous l’influence des enzymes ribosomales.

Enfin, la terminaison se produit lorsque le ribosome reconnaît le codon stop de l’ARNm ; la chaîne polypeptidique achevée est alors libérée dans le cytoplasme. Elle est envoyée là où elle est nécessaire – à l’intérieur de la cellule ou vers d’autres tissus, en sortant de la membrane cellulaire par exocytose.

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