Notions de biologie moléculaire

École Rockefeller1ère année2012/2013

M. HERASSE1

2

I – Protéines et ADNI – 1) Les protéines

I – 2) L’ADN et les ARNII – Le flux de l’information génétique

ADN -> ARN -> protéineIII – Divisions cellulaire

III – 1) mitoseIII – 2) différenciation et mort cellulaireIII – 3) méiose

Plan du cours

3

I

Protéines et ADN

4

MacromoléculesDans toutes les cellules de l’organismeA la base de toutes les fonctions biologiquesTrès grande diversité

I - 1 - Les protéines

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Protéine = polymère d’acides aminés

6

Structure des acides aminés (AA)

7

Exemple d’acides aminés

8

Alanine ALA A HArginine ARG R C+Asparagine ASN N PAspartate ASP D C-Cystéine CYS C PGlutamate GLU E C-Glutamine GLN Q PGlycine GLY G -Histidine HIS H P,C+Isoleucine ILE I HLeucine LEU L HLysine LYS K C+Méthionine MET M HPhénylalanine PHE F HProline PRO P HSérine SER S PThréonine THR T PTryptophane TRP W PTyrosine TYR Y PValine VAL V HSélénocystéine SEC U -Pyrrolysine PYL J

20 acides aminés

9

Origine des acides aminés

Protéines ingérés

Protéines endogènes dégradées

AA synthétisés par l’organisme

Pool d’AA

10

8 acides aminés essentiels

Pas fabriqués par notre organisme.

TryptophaneLysineMéthioninePhénylalanineThréonineValineLeucineIsoleucine 11

Acides aminés déficients ou limitants

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Devenir des acides aminés:

DégradationSynthèse des protéines

Synthèse d’autres molécules

Pool d’AA

13

Exemple clinique : la phénylcétonurie

Toxique pour le système nerveux => retard mental

Test de Guthrie

=> Régime pauvre en phénylalanine

phénylalanine éliminationX

14

Exemple clinique : l’albinisme

hypopigmentation de la peau, des poils, des cheveux et des yeux

Tyrosine MélanineX

15

structure primaire

structure secondaire

structure tertiaire

structure quaternaire

1 2 3 4

Structure des protéines : 4 niveaux

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spécifique, donnée par un gènedétermine la structure et la fonction

Structure primaire : la séquence

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Ex : séquence de l'α-lactalbumine humaine :

MRFFVPLFLVGILFPAILAKQFTKCELSQLLKDIDGYGGIALPELICTMFHTSGYDTQAIVENNESTEYGLFQISNKLWCKSSQVPQSRNICDISCDKFLDDDITDDIMCAKKILDIKGIDYWLAHKALCTEKLEQWLCEKL

18

Structure secondaire : repliements, motifs

19

globulaires fibreuses

ex : la globine béta de ex : kératinel'hémoglobine

Structure tertiaire

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Exemple clinique : Maladie de Creutzfeld Jakob

(A) Protéine normale(B) protéine prion PrP anormale

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Structure quaternaire : association de molécules

ex : hémoglobine

4 chaînes = tétramère

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holoprotéines : que des acides aminés

hétéroprotéines :AA + hème ex: hémoglobine

AA + glucides : glycoprotéines ex: glycoprotéine P

AA + lipides : lipoprotéines ex: LDL

Composition des protéines

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Exemple clinique : glycoprotéine P et multi-résistance aux médicaments

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multi-drug resistance

chimiothérapie, anti-VIH, immunosuppresseurs

Grands complexes de protéines + lipidesTransport de lipides, hormones, vitamines, etc.

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Exemple clinique : Lipoprotéine et « cholestérol »

fonction biologique liée à la forme

Régulation (activation ou inactivation)-> liaison avec autre molécule, clivage, etc.

Dénaturation = inactivation souvent irréversible-> chaleur, pH extrême, substances

chimiques, etc

Fonction des protéines (1)

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Exemple d’activation par le clivage : L’insuline

coupure

coupure

A+B =insuline active

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Assurent le bon repliement des protéines

Ex : Les chaperonines

28

Cas des protéines chaperons

Maladie héréditaire rareobésité précoce, rétinopathie pigmentaire, polydactylie, troubles cognitifs et anomalies uro-génitales.

Un des gènes responsables est celui d’une chaperonine

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Exemple clinique : Le syndrome de Bardet-Biedl

StructureMouvementTransportCommunicationSystème immunitaire et identification des

cellulesCatalyse

Fonction des protéines (2)

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forme de chaque celluleliaison des cellules les unes aux autresrésistance aux tensionsmouvements intracellulaires

=> tendons, ligaments, armature interne des cellules, fibres des caillots sanguins, tissus donnant de la résistance aux organes.

Structure

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Exemple : Le collag ène

protéine la plus abondante de l'organisme.

=> grosses fibres très résistantes à la traction :apporte souplesse et résistance aux tissus.

32

carence en vitamine C = mauvaise synthèse du collagène

=> fragilité des vaisseaux sanguins, des tendons, de la peau, etc

=> graves hémorragies

Exemple clinique : le scorbut

33

Ex : la myosine

contraction des cellules musculaires

34

Mouvement

hyper-rigidité artérielle précoce

=> mutation dans une myosine des muscles lisses des vaisseaux sanguins

(anévrismes/dissections aortiques héréditaires)

Exemple clinique : artériomyopathie

35

-> Transporteurs de substances dans le sang

-> Transporteurs de molécules à travers la membrane

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Transport

Exemples :

- L'hémoglobine : transport de l'oxygène

- L'albumine sérique : transport des hormones liposolubles et des acides gras libres

37

Transporteurs de substances dans le sang

Exemple clinique : la drépanocytose

38

Exemples : canaux Cl- de l’épithélium intestinalco-transporteur glucose/Na+ de l’intestin

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Transporteurs de substances à travers les membranes

Na+ glucose

intracellulaire

lumière intestinale

Cl-

Bactérie Vibrio cholerae

=> ouverture des canaux Cl-

=> mouvements d’eau massifs hors des cellules => diarrhée, déshydratation, perte

de sels => mort

Exemple clinique: le choléra

40

41

42

Thérapie de réhydratation: solution eau + glucose + sel. => utilisation du co-transporteur glucose/Na+ de l’intestin

-> hormones

-> récepteurs membranaires

43

Communication

messagers chimiques dans l’organisme

La plupart des hormones sont des protéines.

Ex : l'insuline

44

Hormones protéiques

Alertent la cellule de la présence de certaines molécules dans leur environnement.

Ex : Récepteur à l’acétylcholine

contraction

Protéines récepteurs au niveau des membrane

45

neurone

muscle

Maladie auto-immune : intervention d’anticorps anti-Récepteur à l’acétylcholine (anticorps bloquants)

contractioncontraction

Exemple clinique : la myasthénie

46

neurone

muscle

-> Les anticorps

-> le CMH

Système immunitaire et identification des cellules

Les anticorpsdes millions différentschacun peut reconnaître une molécule spécifique.

48

Défense contre les infections

Ex : protéines de membrane CMH (Complexe Majeur d‘Histocompatibilité)

Très nombreuses et très variables. => pas deux personnes avec les mêmes.

49

Identification des cellules

auto-agressivité du système immunitaire vis à vis des propres constituants de l’organisme

5 à 10 % de la population générale

sclérose en plaques,diabète de type 1, lupus,polyarthrite rhumatoïde, …

50

Exemple clinique : maladies auto-immune

=> Protéines qui déclenchent ou favorisent les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules.

Ex : la trypsinedégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang.

51

Catalyse => Enzymes

Dans la pancréatite et la mucoviscidose,

la trypsine étant mal évacuée, elle est la principale cause de la réaction inflammatoire du pancréas.

52

Exemple clinique : inflammation du pancréas

Fonction Exemple

Elément structural Collagène Apporte une force de tension dans les tissus conjonctifs

Mouvement myosine Actrice de la contraction musculaire

Transporteur sanguin Hémoglobine Transporte l’oxygène des poumons vers les différents tissus

Transporteur membranaire

Canaux Faire passer la barrière de la membrane àdifférentes substances

Hormone Insuline Contrôle la concentration du glucose sanguin

Identification des cellules Protéines du CMH Permet au système immunitaire de reconnaître ses propres cellules et donc de ne pas les attaquer

Récepteur Récepteur àl’acétylcholine

Présent sur les cellules des muscles, il reçoit l’acétylcholine et induit la contraction musculaire.

Défense contre les infections

Anticorps Se lient à un agent infectieux et permettent sa destruction par les cellules et molécules du système immunitaire

Enzyme Trypsine Dégrade les protéines ingérées dans l’intestin, permettant leur absorption dans le sang

53

exclusivement dans le noyau de la celluleporte l’information génétique (les gènes)Polymère de nucléotides

I – 2 – ADN (Acides Désoxyribo Nucléiques)

54

sucre + groupement phosphate + base azotée.

Complémentarité des bases:A (Adénine) = T (Thymine)G (guanine) = C (Cytosine)

P

Structure des nucléotides

55

Partie fixe : squelette sucre- P Partie variable : la séquence de bases

C G T A C T

Polymérisation des nucléotides

56

Appariement de 2 chaînes (brins) par les bases

Orientation antiparallèle des brins

Formation d’une double hélice ADN

57

58

capable de se copier lui-même : réplication

détient dans sa séquence, la matrice de fabrication des protéines

=> flux d’information génétique

59

2 propriétés

Transmission du patrimoine génétique de génération en génération,

Contrôle de la fabrication des protéines.

Fonction

60

Les 2 brins complémentaires se séparentChacun sert à la synthèse d’un brin complémentaire :A en face de TC en face de G

Synthèse de l’ADN : réplication

61

Fabriqués après lecture de l’ADN : transcription

nombreuses familles d’ARN avec des rôles de régulation.

L’ARN messager transporte l'information génétique du noyau au cytoplasme pour la synthèse des protéines

=> flux d’information génétique

ARNs (Acides Ribo Nucléiques)

62

ADN et ARN :

63

II

Le flux de l’information génétique

64

Dogme central = ADN -> ARN -> protéine

2 étapes :

étape nucléaire : transcription

étape cytoplasmique : traduction

Transformation de l’information génétique en protéine

65

la séquence d'ADN est reproduite dans une séquence d'ARN appelé messager (ARNm)

Même « langue » : l’enchaînement des nucléotides

Etape nucléaire : transcription

66

-> Plusieurs ARN produits simultanément sur un même gène.-> Plusieurs gènes peuvent être transcrits simultanément.

67

Processus d’amplification

=> ensemble des processus qui permettent de synthétiser une protéine à partir d'un ARN messager.

Langues différentes : nucléotides / acides aminés

Etape cytoplasmique : traduction

68

=> règles de correspondance entre des triplets (codons) de nucléotides et des acides aminés

ARNm AUGCCCGUCAAGUUGCCGUGA

acideaminé

acideaminé

acideaminé

69

Le code génétique

universelnon -chevauchantnon -ambigudégénéré (redondant)

NB : code génétique ≠ information génétique.

70

Caractéristiques du code génétique

Tableaudu code

génétique

71

Machinerie de traduction : ribosomes

72

Ribosome

ARNm

Polypeptide

Modélisation 3D de la traduction

73

Plusieurs ribosomes vont agir sur un même ARNm

74

Processus d’amplification

Régulation du flux d’information génétique

75

ADNgène

transcription

ARNm

sortie du noyau

traduction

fonction protéique

maturation protéique

noyau

cytoplasme

Schéma récapitulatif 76

Information génétique contenue dans de l’ARN au lieu de l’ADN

Copie de l’ARN en ADN : retrotranscriptionL’ADN formé s’intègre dans l’ADN de la cellule

-> étape cible de médicaments antiviraux

Cas des virus rétroviraux (HIV…)

77

Sortie des virus par bourgeonnement

1 Fixation du VIH sur des récepteurs de la cellule cible et pénétration de l'ARN viral dans la cellule

2 Rétrotranscription de l'ARN viral en ADN

34567

Intégration de l’ADN au génome de la cellule hôteTranscription de l’ADN étranger en ARN viralSynthèse des protéines virales Assemblage des particules virales

78

III

Divisions cellulaires

79

Division cellulaire

80

Division cellulaire

81

III – 1 – Mitose et cycle cellulaire

Mitose

Interphase82

Cycle cellulaire

83

le développement embryonnairela croissance généralela croissance continuele renouvellement des cellules mortesla cicatrisation,

les cancers

Rôles de la mitose

84

Transmission des gènes lors de la division cellulaire

46 chez l’humainDécondens és au repos

Les chromosomes

85chromosome condenséchromosomes décondensés

Période entre la fin de la division et le d ébut d'une autre division

Chromosome chromosome àà 1 chromatide 2 chromatidesDécondensé décondensé

Interphase : duplication du matériel génétique (réplication)

86

87

Etapes de la mitose :

88

Prophase

89

Condensation des chromosomesDisparition de l’enveloppe nucléaire

Métaphase

90

Répartition des chromosomes sur la plaque équatoriale

Anaphase

91

Séparation des chromatides sœursMigration de chacune d’elle vers les pôles

Télophase

92

Formation de 2 enveloppes nucléairesDébut de décondensation des chromosomes

Cytodiérèse

93

Division de la cellule en 2 cellules filles

Le contrôle de la division cellulaire

Contrôle des lésions de l’ADNContrôle de la réplication de l’ADNContrôle de la bonne séparation des chromosomesContrôle de la bonne division des cellules

94

Mitose et cancer

95

Rôle dans le contrôle du cycle cellulaire

- Si lésions ADN => blocage du cycleréparation de l’ADN

ou mort cellulaire

Gène P53 muté => pas de contrôle=> Prolifération cellulaire incontrôlée = cancer

96

Exemple clinique : cancer et protéine P53

Résum é mitose

mitoseréplication de l’ADN

cellule mère46 chr1 chromatide

cellule mère46 chr2 chromatides

cellules filles46 chr1 chromatide

97

Différents types cellulaires.

=> différenciation

II – 2) différentiation et mort cellulaire

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Totipotentes=> œuf et cellules des premiers stades embryonnaires

Pluripotentes => donnent différentes cellules d’un même tissu

Unipotentes=> donnent un seul type de cellule

Renouvellement cellulaire et cellules souches :

99

100

101

Exemple de cellules souches pluripotentes :

cellules souches hématopoïétiques

=> donnent les cellules sanguines (globules rouges, globules blancs et plaquettes).

102

Exemple de cellules souches unipotentes :

cellules satellites des fibres musculaires (myoblastes) => fusion et différenciation en grandes cellules musculaires à plusieurs noyaux.

103

cellules souches nécessaires pour renouveler les cellules trop différenciées d’un tissu.

Entre en différenciation

Reste cellule souche

Cycle cellulaire et cellules souches :

104

dans de nombreux processus physiologiques et physiopathologiques.

3 types de mort cellulaire :

- la nécrose

- l’apoptose- la mort par autophagie. Morts programmées

Mort accidentelle

La mort cellulaire :

105

Caractéristiques des différentes types de mort cellulaire :

106

Diplo ïdie et haplo ïdie

Organisme / cellules diploïdes

cellules haploïdes

cellule diploïde

II - 3) Division cellulaire et reproduction sexuée : la méiose

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Division cellulaire en 2 phases successives conduisant à la génération de 4 cellules filles haploïdes à partir d’une même cellule mère diploïde.

Première division de méiose : division réductionnelleDeuxième division de méiose : division équationnelle

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La méiose

méiose

méiose Iréplication de l’ADN

cellule mère46 chr1 chromatide

cellule mère46 chr2 chromatides

cellules filles23 chr1 chromatide

cellules filles23 chr2 chromatides

méiose II

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Méiose 1

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Méiose 2

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