Séquence 2 : Du gène a la protéine

# Séquence 2 : Du gène a la protéine ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire la structure chimique et spatiale de l’ADN et expliquer son rôle de support de l’information génétique. - Expliquer le mécanisme de la réplication de l’ADN, ses étapes, ses enzymes clés et sa fidélité. - Décrire les étapes de la biosynthèse des protéines (transcription et traduction), leur localisation cellulaire, les acteurs moléculaires impliqués et les produits obtenus. - Établir le lien entre la séquence d’acides aminés d’une protéine et l’expression d’un caractère phénotypique. - Réaliser et interpréter des maquettes représentant l’ADN et sa réplication. - Résoudre des exercices d’application liés à la complémentarité des bases, au calcul de longueurs d’ADN ou d’ARN, et à la détermination de séquences protéiques à partir d’un codon. **Prérequis** : Connaissances de base en chimie organique (liaisons covalentes, liaisons hydrogène), structure cellulaire (noyau, cytoplasme, ribosomes), notion de gène comme unité d’hérédité, familiarité avec les représentations schématiques des molécules biomoléculaires. --- ## I. Séance 5 : Structure des acides nucléiques et duplication de l’ADN ### A. Structure de l’ADN L’acide désoxyribonucléique (ADN) est un polymère linéaire constitué de nucléotides. Chaque nucléotide est composé de trois éléments : un phosphate, un sucre désoxyribose et une base azotée. Il existe quatre bases azotées dans l’ADN : l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Les nucléotides sont liés entre eux par des liaisons phosphodiester entre le groupe phosphate du nucléotide n et le carbone 3’ du sucre du nucléotide n+1, formant ainsi l’épine dorsale sucre-phosphate. Les deux brins d’ADN s’enroulent autour d’un axe commun pour former une double hélice antiparallèle : un brin va de 5’ vers 3’, l’autre de 3’ vers 5’. Les bases azotées des deux brins s’apparient selon des règles de complémentarité strictes : l’adénine s’apparie toujours avec la thymine (A-T) via deux liaisons hydrogène, et la cytosine avec la guanine (C-G) via trois liaisons hydrogène. Cette complémentarité assure la stabilité de la double hélice et permet la réplication semi-conservative de l’ADN. > **À retenir** : Dans l’ADN, l’adénine (A) s’apparie avec la thymine (T) par deux liaisons hydrogène, et la cytosine (C) s’apparie avec la guanine (G) par trois liaisons hydrogène (règle de Chargaff). **Exemple résolu** : Un brin d’ADN a la séquence 5’-ATGCGTAC-3’. Quelle est la séquence du brin complémentaire ? Solution : En appliquant la complémentarité (A↔T, T↔A, G↔C, C↔G) et en inversant le sens (antiparallélisme) : 5’-ATGCGTAC-3’ 3’-TACGCATG-5’ Le brin complémentaire, lu dans le sens 5’→3’, est donc 5’-GCATGCAT-3’ (on lit le brin de 3’ vers 5’ pour obtenir la séquence en 5’→3’). **Exercice d’application corrigé** : Un fragment d’ADN contient 120 nucléotides, dont 30 % de cytosine. Calculer le nombre de chaque base azotée. Solution : % C = 30 % → % G = 30 % (complémentarité C-G) % A + % T = 100 % - (30 % + 30 %) = 40 % Comme A = T, alors % A = % T = 20 % Nombre de C = 30 % de 120 = 0,3 × 120 = 36 Nombre de G = 36 Nombre de A = 20 % de 120 = 0,2 × 120 = 24 Nombre de T = 24 Vérification : 36 + 36 + 24 + 24 = 120 ✔️ ### B. Duplication de l’ADN (réplication) La réplication de l’ADN est le processus par lequel une molécule d’ADN double brin est copiée pour produire deux molécules filles identiques à la molécule mère. Elle intervient pendant la phase S du cycle cellulaire et est essentielle à la transmission fidèle de l’information génétique lors de la mitose. Elle suit un mécanisme semi-conservatif : chaque molécule fille contient un brin parental et un brin nouvellement synthétisé. La réplication débute à des origines spécifiques (oriC chez les procaryotes, multiples origines chez les eucaryotes). L’enzyme hélicase dérouille la double hélice en rompant les liaisons hydrogène entre les bases, créant une fourche de réplication. L’ADN primase synthétise un court ARN amorce (primer) de 5 à 10 nucléotides, nécessaire car l’ADN polymérase ne peut initier la synthèse qu’en ajoutant des nucléotides à un groupe 3’-OH libre. L’ADN polymérase III (chez les procaryotes) ou les polymérases δ et ε (chez les eucaryotes) ajoute des nucléotides désoxyribonucléiques en complémentarité avec le brin matrice, dans le sens 5’→3’. Sur le brin conducteur (leading strand), la synthèse est continue. Sur le brin retardé (lagging strand), elle est discontinue, produisant des fragments d’Okazaki qui sont ensuite liés par l’ADN ligase. L’ADN polymérase I (procaryotes) ou les nucléases FEN1 et l’ADN ligase (eucaryotes) retirent l’ARN amorce et le remplacent par de l’ADN. La topoisomérase soulage la contrainte de torsion en coupant et religuant l’ADN. > **À retenir** : La réplication de l’ADN est semi-conservative, s’effectue dans le sens 5’→3’, nécessite un ARN amorce, et implique l’action coordonnée de l’hélicase, de l’ADN primase, de l’ADN polymérase et de l’ADN ligase. **Exemple résolu** : Une molécule d’ADN de 4 600 paires de bases se réplique. Quelle est la longueur totale d’ADN synthétisée (en nucléotides) lors de la réplication ? Solution : Chaque brin mère sert de matrice pour synthétiser un brin neuf. Deux brins neufs sont synthétisés, chacun de longueur égale à celle du brin mère. Longueur d’un brin mère = 4 600 nucléotides Longueur totale synthétisée = 2 × 4 600 = 9 200 nucléotides (Remarque : la quantité d’ADN totale après réplication est de 2 × 4 600 = 9 200 pb, mais la quantité nouvellement synthétisée est de 9 200 nucléotides.) **Exercice d’application corrigé** : Lors de la réplication d’un brin d’ADN de séquence 5’-ATGCCGTA-3’, quelle est la séquence du fragment d’Okazaki synthétisé en complémentarité, lu dans le sens 5’→3’ ? Solution : Le brin matrice est 3’-TACGGCAT-5’ (complémentaire et antiparallèle). Synthèse dans le sens 5’→3’ : on lit le brin matrice de 3’→5’ pour déterminer l’ordre d’incorporation. 3’-T A C G G C A T-5’ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ A T G C C G T A (nucléotides ajoutés, 5’→3’) Séquence du fragment synthétisé : 5’-ATGCCGTA-3’ Attention : ceci est identique au brin mère d’origine ! En réalité, le fragment d’Okazaki est complémentaire au brin matrice. Le brin matrice est 3’-TACGGCAT-5’. La séquence synthétisée en 5’→3’ est donc : En face de T (3’) → A En face de A → T En face de C → G En face de G → C En face de G → C En face de C → G En face de A → T En face de T (5’) → A Donc : 5’-A T G C C G T A-3’ → 5’-ATGCCGTA-3’ Mais ceci est identique au brin mère ! Cela indique qu’on s’est trompé dans l’orientation. En fait : si le brin mère est 5’-ATGCCGTA-3’, alors le brin matrice pour la synthèse du brin neuf est 3’-TACGGCAT-5’. La synthèse du brin neuf se fait en 5’→3’, en ajoutant des nucléotides complémentaires au brin matrice lu de 3’→5’. Brin matrice (3’→5’) : T - A - C - G - G - C - A - T Nucléotides ajoutés (5’→3’) : A - T - G - C - C - G - T - A Séquence du brin neuf : 5’-ATGCCGTA-3’ Mais ceci est identique au brin mère d’origine. Cela est normal : le brin neuf est complémentaire au brin matrice, qui lui-même est complémentaire au brin mère. Donc le brin neuf est identique au brin mère. En fait, pour un brin mère 5’-ATGCCGTA-3’, le brin complémentaire est 3’-TACGGCAT-5’, donc lu en 5’→3’ : 5’-GCATGCAT-3’ ? Non. Reprenons : Brin mère : 5’-A T G C C G T A-3’ Brin complémentaire : 3’-T A C G G C A T-5’ Pour lire le brin complémentaire en 5’→3’, on le renverse : 5’-T A C G G C A T-3’ ? Non : on lit de l’extrémité 5’ vers 3’ du brin complémentaire. L’extrémité 5’ du brin complémentaire est en face du T 3’ du brin mère. Donc : brin mère 5’-A T G C C G T A-3’ brin complémentaire : 3’-T A C G G C A T-5’ → l’extrémité 5’ du brin complémentaire est en face du T 3’ du brin mère → donc la première base du brin complémentaire (5’) est A (en face de T) En face de A (brin mère) → T En face de G → C En face de C → G En face de C → G En face de G → C En face de T → A En face de A (5’ du brin mère) → T (3’ du brin complémentaire) Donc brin complémentaire : 5’-A T G C C G T A-3’ ? Attendez : Brin mère : 5’-A T G C C G T A-3’ Brin complémentaire : 3’-T A C G G C A T-5’ Pour obtenir la séquence du brin complémentaire en 5’→3’, on écrit les bases du brin complémentaire de l’extrémité 5’ à l’extrémité 3’. L’extrémité 5’ du brin complémentaire est en face du T 3’ du brin mère → base A Puis en avançant vers le 5’ du brin mère : En face du A (position 7 du brin mère) → T En face du T (position 6) → A En face du G (position 5) → C En face du C (position 4) → G En face du C (position 3) → G En face du G (position 2) → C En face du T (position 1) → A Donc séquence du brin complémentaire en 5’→3’ : 5’-A T A C G G C A-3’ ? Listons les positions : Brin mère (5’→3’) : pos1=A, pos2=T, pos3=G, pos4=C, pos5=C, pos6=G, pos7=T, pos8=A Brin complémentaire (3’→5’) : en face de pos1=A → T, pos2=T→A, pos3=G→C, pos4=C→G, pos5=C→G, pos6=G→C, pos7=T→A, pos8=A→T Donc brin complémentaire (3’→5’) : T - A - C - G - G - C - A - T Pour lire ce brin en 5’→3’, on le renverse : 5’-T - A - C - G - G - C - A - T-3’ ? Non : on lit de l’extrémité 5’ vers 3’. L’extrémité 5’ du brin complémentaire est la base qui était en face du T 3’ du brin mère → pos8 du brin mère = A → en face : T → donc extrémité 5’ du brin complémentaire = T Puis en allant vers le 3’ du brin complémentaire : on suit le brin mère de 3’→5’ Brin mère 3’→5’ : A (pos8), T (pos7), G (pos6), C (pos5), C (pos4), G (pos3), T (pos2), A (pos1) En face : A (pos8) → T T (pos7) → A G (pos6) → C C (pos5) → G C (pos4) → G G (pos3) → C T (pos2) → A A (pos1) → T Donc brin complémentaire 5’→3’ : T - A - C - G - G - C - A - T → 5’-TACGG CAT-3’ Vérification : Brin mère : 5’-ATGCCGTA-3’ Brin complémentaire : 3’-TACGGCAT-5’ Lecture du brin complémentaire en 5’→3’ : on commence par la base en face du T 3’ du brin mère → A ? Non. Méthode sûre : écrire le brin mère, en dessous écrire le complémentaire en antiparallèle : 5’- A T G C C G T A -3’ 3’- T A C G G C A T -5’ Maintenant, pour lire le brin du bas en 5’→3’, on le prend de gauche à droite mais en inversant le sens : le bas est écrit de 3’ à 5’, donc pour le lire en 5’→3’, on le lit de droite à gauche : De droite à gauche : T (extrémité 5’ du bas), puis A, puis C, puis G, puis G, puis C, puis A, puis T (extrémité 3’ du bas) Donc : 5’-T A C G G C A T-3’ Donc le brin complémentaire de 5’-ATGCCGTA-3’ est 5’-TACGG CAT-3’ → 5’-TACGGCAT-3’ Donc pour le fragment d’Okazaki : si on synthétise un brin neuf en complémentarité avec le brin mère 5’-ATGCCGTA-3’, la séquence synthétisée en 5’→3’ est 5’-TACGGCAT-3’ Exercice corrigé : Brin mère : 5’-ATGCCGTA-3’ Séquence du brin neuf (complémentaire, synthétisé en 5’→3’) : 5’-TACGGCAT-3’ Vérification : A-T, T-A, G-C, C-G, C-G, G-C, T-A, A-T → toutes les paires sont correctes. Réponse : 5’-TACGGCAT-3’ ---