L3-BH01Cours n°12

Traduction (1)

Ce cours est présent sur le web à l’adresse suivante :http://www.univ-orleans.fr/sciences/BIOCHIMIE/L/ressources.htm

1

Introduction

I- Code génétique : comment l’ADN code-t-il l’information génétique?codons = triplets de basesdécryptage du codecaractéristiques

II- ARNt – aminoacylationstructures primaire & secondaire des ARNtstructure tertiaire des ARNtaminoacyl-ARNt synthétasesinteractions codon-anticodon

III- Ribosomesstructurefonction

IV- synthèse polypeptidiquevue d’ensembleinitiationélongationterminaisonprécisionantibiotiques

Récapitulatif

Plan

2

Synthèse des protéines : avancées historiques majeures

Début des années 1950 :

1- détermination du lieu de synthèse des protéinesau sein de particules ribonucléoprotéiques

2- mise en évidence de l’activation des acides aminésattachement des acides aminés à un ARN particulier

3- caractérisation d’une molécule « adaptatrice » ARNt « traduisent » la séquence nucléotidique du messager en

une séquence d’acides aminés

3

Code génétique

4

Les codons sont des triplets : démonstration expérimentale

Décryptage du code génétique

Caractéristiques principales du code génétique

ADN GAT

ARN CUA

ARNt GAU

aa Leu

5

Cadre de lecture

1er cadreGCUUGUUUACGAAUAAGUAAU 3’5’

Ala Cys Leu Arg Ile Ser Asn2ème cadre

GCUUGUUUACGAAUAAGUAAU 3’5’

STOPLeu Val Tyr Glu3ème cadre

GCUUGUUUACGAAUAAGUAAU 3’5’

Leu Phe Thr Asn STOPLys

- 3 cadres de lecture possibles, en théorie- chez les eucaryotes, souvent, un seul possible car présencede codons stop précoces- un changement de cadre entraîne un changement de la séquence protéique

6

Incorporation des acides aminés dans des polypeptides en présence de polymères aléatoires d’ARN :

Expérience de Nirenberg & Matthaei (1961)

EXPERIENCEIncubation d’un polyribonucléotide synthétique polyurydilate (polyU) avec un extrait d’E. coli, du GTP et un mélange de 20 acides aminés (dans 20 tubes différents) : dans chaque tube un acide aminé différent est radioactif .

cet ARN doit engendrer la synthèse d’un polypeptide à partir d’un seul des 20 acides aminés codés par le triplet UUU

RESULTATFormation d’un polypeptide radioactif dans un seul des 20 tubes ;celui contenant la phénylalanine radioactive.

7

Incorporation des acides aminés dans des polypeptides en présence de polymères aléatoires d’ARN

8

Le triplet AAAAAA code la lysine

Propriétés codantes d’ARNm synthétiques

9

Le code génétique est dégénéré

acide aminé nombre de codons synonymes

total

Leu, Ser, Arg 6 18Gly, Pro, Ala, Val, Thr 4 20Ile 3 3Phe, Tyr, Cys, His, Gln, Glu, Asn, Asp, Lys

2 18

Met, Trp 1 2Nombre de codonspour les acides aminés

61Nombre de codons stop 3Total 64 10

11

12

Les exceptions connues au code génétique universel

13

DEVIATIONS du CODE GENETIQUE

SOURCE CODON signification usuelle nouvelle signification

Mitochondrie de la UGA Stop TryptophaneDrosophile AGA,AGG Arginine Sérine

AUA Isoleucine MéthionineMitochondrie AGA,AGG Arginine Stopde mammifères AUA Isoleucine Méthionine

UGA Stop TryptophaneMitochondrie de CUN Leucine Thréoninelevure AUA Isoleucine Méthionine

UGA Stop TryptophaneMitochondrie de plantes UGA Stop Tryptophane

CGG Arginine TryptophaneProtozoaire UAA,UAG Stop GlutamineMycoplasme UGA Stop Tryptophane

14

ARN de transfert

15

16

Passage d’une structure secondaire à une structure tertiaire d’un ARNt

17

18INTERACTIONS qui stabilisent la STRUCTURE 3D d’un ARNt

Quelques exemples de bases modifiées retrouvées dans les ARNt

19

ARN de transfert

20

Expérience montrant que des trinucléotides suffisent pour induire la liaison spécifique des aminoacyl-ARNt aux ribosomes

Liaison du LYSYL-ARNt aux RIBOSOMES selon les CODONS

21

Amino-acyl ARNt synthétases

22

Réactions d’AMINOACYLATION

23

24

25

Les 2 familles d’aminoacyl-ARNt synthétases

Caractéristiques Enzymes de classe I Enzymes de classe II

Structure du site actif Feuillets β parallèles Feuillets β anti-parallèles

Interaction avec l’ARNt Petit sillon de la tige accepteur Grand sillon de la tige accepteur

Orientation de l’ARNt lié La boucle V tourne le dos à l’enzyme

La boucle V fait face à l’enzyme

Fixation de l’acide aminé Au groupement 2’-OH du nucléotide terminal de l’ARNt

Au groupement 3’-OH du nucléotide terminal de l’ARNt

26

Principaux éléments d’identificationpour 4 ARNt

27

L’aminoacylation doit être exacte : Fonction d’édition des aminoacyl-ARNt synthétases

Les ribosomes ne sélectionnent les aminoacyl-ARNt que grâce aux interactions codon-anticodon, et non en fonction de la nature de leurs groupes aminoacyls.

Une traduction fidèle nécessite donc, non seulement que chaque ARNt soit amino acylé par son aminoacyl ARNt synthétase spécifique mais aussi, qu’il ne soit pas aminoacylé par l’une ou l’autre de ses 19 aminoacyl-ARNt non spécifiques.

28

Fonction d’édition de l’Ile-ARNt synthétase

L’Ile-ARNt synthétase peut activer un certain nombre d’acides aminés de structure similaire mais ne peut attacher ces mauvais acides aminés à l’ARNt

29

Interaction codon-anticodon

30

Démonstration expérimentale

Ce ne sont que les interactions codon-anticodon qui assurent le choix correct de l’acide aminé; le groupe aminoacyl n’intervient pas dans ce processus 31

La dégénérescence du code fait intervenir des interactions variables codon-anticodon en 3ème position

Appariements normaux (en haut) et WOBBLE (en bas) entre les codons de l’ARNm et les anticodons de l’ARNt

Exemple de l’ARNtPhe

32

Les appariements par « flottement »

33

34

Récapitulatif

Conséquences du tremblementUn exemple des différents codons reconnus par l’Ala-ARNtAla

35

Principales caractéristiques du code génétique

36

1- plusieurs codons ont une fonction particulièreAUG (ou codon d’initiation) : il signale le commencement d’une chaîne peptidique

(il code aussi pour les résidus Met en position interne des polypeptides)

UAG, UAA & UGA (ou codons de terminaison ou codons stop) : ils indiquent la fin de la synthèse d’une chaîne

Lorsque le cadre de lecture ne présente pas de codon stop pendant 50 codons environ (ou davantage), la région est appelée cadre ouvert de lecture (ORF en anglais : open reading frame) ; de longs cadres ouverts de lecture correspondent en général aux gènes codant des protéines.

2- le code est dégénéréun acide aminé peut être désigné par plus d’un codon

(la différence entre les codons pour un acide aminé donné se situe sur la 3ème base)le code génétique comprend 61 codons codants, on peut donc s’attendre à ce qu’il existe en tout 61 ARNt ;

En fait 32 ARNt suffisent pour « véhiculer » les 20 acides aminés, car un ARNt peut reconnaître plusieurs codons différents codant le même acide aminé.

les 2 premiers nucléotides d’un codon (sur l’ARNm) sont rigoureusement complémentaires de l’anticodon (de l’ARNt) selon la règle d’appariement classique ; il n’en est pas de même pour la 3ème base, un appariement moins classique est possible : il y a alors du jeu (Wobble ou flottement) dans la liaison codon-anticodon qui admet une certaine « liberté stérique ».

- Les liaisons wobble permettent à la cellule de faire des économies- La liaison plus faible entre la 1ère base de l’anticodon et la 3ème base du codon entraîne une dissociation

plus facile des ARNt fixés : la synthèse protéique est ainsi plus rapide.- Elle constitue un système de protection vis à vis des mutations qui peuvent se produire : un changement

de la 3ème base se révèlera le plus souvent sans conséquence puisque le codon muté positionnera le même ARNt

3- le code est non chevauchantla partie exprimée d’un ADN est transcrite puis traduite régulièrement de triplet en triplet.

Ribosomes

37

Structure générale des ribosomes chez les procaryotes et les eucaryotes

Chez les procaryotes : - masse env. 2,5 106 Da- coefficient de sédimentation : 70S- particule sphéroïde - 2 sous-unités- dans E. coli, jusqu’à 20000 ribosomes (soit 80% des ARN totaux et 10% des protéines totales)

38

Structure générale des ribosomes chez les procaryotes et les eucaryotes

39

Composants des ribosomes d’E. coli.

Composants des ribosomes de cellules de mammifères (cellules hépatiques durat)

40

Composition des ribosomes

• 2 sous-unités• Petite sous-unité ribosomale

– 16S ARNr (bactéries), 18S ARNr (eucaryotes)– de 21 (bactéries) à 33 (eucaryotes) protéines

• Grande sous-unité ribosomale– 23S & 5S ARNr (bactéries), 28S, 5,8S & 5S ARNr

(eucaryotes)– de 31 (bactéries) à 49 (eucaryotes) protéines

41

Modèle à trois dimensions du ribosome d’E. coli.

42

Modèle à trois dimensions du ribosome d’E. coli.

43

44

45

Cryo-microscopie électronique du ribosome d’E. coli à ~25 Å de résolution

46

Ribosome• Présente 3 sites de fixation pour les ARNt• Site A – site Aminoacyl : site où se lie l’aminoacyl-ARNt

nouveau• Site P – site Peptidyl : site où se lie le peptidyl-ARNt• Site E – site Exit : site où se lie transitoirement l’ARNt sortant• Un canal pour l’ARNm.• Un tunnel hydrophobe pour le polypeptide.

47

Structure secondaire proposée de l’ARN 16S d’E. coli

48

Assemblage du ribosome

• Auto-assemblage – 1) avec repliement des ARNr– 2) assemblage des protéines (dans un ordre donné)

• Les cellules doivent coordonner l'expression de tous les composants du ribosome proportionnellement au taux de synthèse des protéines

• mécanismes de contrôle

49

50

Ribosomes : récapitulatif• Site de la synthèse des polypeptides

– Abondant : jusqu’à 20000 ribosomes par cellule d’E. coli• Structure énorme & complexe, 2520 kDa (E. coli) 4220 (homme)• De grands ARN et >50 protéines (E. coli), >80 protéines (mammifères)• Fonctions:

– Fixe les ARNm (lecture des codons)– 3 sites de fixation pour les ARNt– Fixe différentes protéines (non-ribosomal proteins) qui ont un rôle dans l’Initiation,

l’Elongation et la Termination– Catalyse la formation de la liaison peptidique– Parcours l’ARNm.

• Le Ribosome est un ribozyme.

51

Synthèse protéique : vue d’ensemble

52

Principales caractéristiques de la synthèse des protéines1- la synthèse se fait depuis l’extrémité N-ter. vers l’extrémité C-ter.

53

Le degré de marquage des peptides trypsiques obtenus augmente avec leur proximité de l’extrémité C-ter.

La synthèse polypeptidique se fait depuis l’extrémité N-ter vers l’extrémité C-ter

54

SCHEMA RECAPITULATIF

La synthèse peptidique se fait dans le sens N-ter. C-ter.

55

Principales caractéristiques de la synthèse des protéines2- les ribosomes lisent l’ARNm dans le sens 5’-3’.

Utilisation de systèmes de synthèse protéique acellulaires où l’ARNm est un poly(A) avec un C à son extrémité 3’ :

5’- A A A A A A … …A A A A C - 3’

Synthèse d’un poly(Lys) avec un Asn en C-ter.

Sachant que AAA et AAC codent pour Lys et Asn et que la synthèse se fait dans le sens N-ter C-ter, cela montre que le ribosome lit l’ARNm dans le sens 5’-3’.

56

Principales caractéristiques de la synthèse des protéines3- la traduction active se fait sur des polyribosomes

57

Principales caractéristiques de la synthèse des protéines4- le polypeptide en formation est lié au résidu aminoacyl nouveau porté par son ARNt

Oadénine

OHO

CH2P

O

O

O-

ARNt

C O

HC Rn

NH

C O

HC

NH

Rn-1

C

HC

O

R1

NH3+

peptidyl-ARNt 58

COMPLEMENTS

59

60

61Thermus thermophilus 70S ribosome

Structures tertiaires des ARNr

small (30S) subunit large (50S) subunit 62

Structure du ribosome 70S de T. thermophilus déterminée par cristallographie aux rayons X

Page

131

5

63

Ribosomal subunits in the X-ray structure of the T. thermophilus70S ribosome in complex with three tRNAs and an mRNA.

Vue générale de la sous unité 30S

64

Vue générale de la sous unité 50S

65

66