Ribosomes et leur Fonctionnalité

B1.2 Cellules et tissus : Structure et fonction des protéines

• Le cours porte sur la structure et la fonction des protéines.
• La période de cours est de novembre à décembre 2024.
• Le professeur est Petr Broz.
• Son adresse e-mail est [email protected].

Synthèse des protéines

• Définition de la traduction et du code génétique.
• Structure et rôle des ARN de transfert (ARNt).
• Rôle, structure et mécanisme d'action des Aminoacyl-transfert ARN synthétases et des ribosomes.
• Le cycle du ribosome : pré-initiation, initiation, formation de la liaison peptidique, translocation et terminaison.
• Rôle des polysomes.
• Repliement des protéines et rôle des chaperonnes moléculaires.
• Stabilité des protéines.

Synthèse des protéines eucaryotes

• La synthèse des protéines eucaryotes a lieu dans le cytoplasme.
• Le nucléole participe à la transcription de l'ARNr.
• L'ARNr est transformé en pré-ARNr puis en ARNr matures (28S+18S+5.8S) puis incorporé au ribosome après assemblage avec des protéines synthétisées dans le cytoplasme.
• Les ARNm matures sont exportés du noyau vers le cytoplasme, où ils sont traduits par les ribosomes.
• Les ARNm sont dégradés une fois la traduction terminée.

Différences entre Prokaryotes et Eucaryotes

• Chez les procaryotes, la traduction est couplée à la transcription dans le cytoplasme.
• Chez les eucaryotes, la synthèse des protéines se produit dans le cytoplasme et la régulation se fait au niveau du traitement de l'ARNm et de son export hors du noyau.

Le code génétique et la traduction

• Processus par lequel la séquence nucléotidique d'ARNm est utilisée pour lier des acides aminés en une chaîne polypeptidique (protéine).
• L'ARNm porte l'information génétique.
• L'ARNt aide à traduire l'information génétique.
• L'ARNr aide à la traduction comme structure du ribosome.
• Les amino-acyl ARNt synthétases traduisent le code génétique.
• Descriptions des facteurs d'initiation, d'élongation et de terminaison.
• Rôle et descriptions des acides aminés.
• Utilisation de l'énergie (ATP, GTP).

Les participants majeurs

• ARNm (le code génétique).
• ARN de transfert (ARNt) et leur structure et rôle; les amino-acyl ARNt synthétases.
• ARNr et ribosomes, structure et rôle.
• Différentes étapes de la traduction : initiation (et pré-initiation), élongation (liaison peptidique , translocation), et terminaison.
• Régulation et erreurs de traduction ('efficacité', erreurs, régulateurs et inhibiteurs).

2) ARNt (transfert)

• Description du rôle des ARNt comme adaptateurs.
• Description de la structure des ARNt : petits (73-93 nucléotides), 4 hélices, 3 boucles.
• Le site 3' est l'accepteur des acides aminés avec une séquence générale CCA.

Modifications des nucléotides dans l'ARNt

• Ajoutés dans le noyau après la synthèse de l'ARNt (souvent dans les boucles).
• Quatre types principaux de modifications : méthylation ou diméthylation, réduction de doubles liaisons, substitutions dans l'anneau pyrimidine, désamination.

Structure en 3D de l'ARNt

• Description de l'ARNt en 2D et 3D
• Liaison de l'acide aminé avec le site de liaison (par l'enzyme aac-ARNt-synthétase)
• Liaison avec le codon.

Codons pour 'start' et 'stop' sur l'ARNm (code universel)

• Les codons 'start' (typiquement AUG).
• Les codons 'stop' (UAA, UAG et UGA).
• Les exceptions.

Cadre de lecture

• Le cadre de lecture est défini par le codon 'start' (finit avec codon 'stop').
• Le code de triplets est sans interruption.
• Le cadre de lecture doit être respecté.

Les fonctions de l'Aminoacyl-ARNt synthétases.

• La reconnaissance des ARNt spécifiques à un acide aminé( plus de 20 types) et de l'acide aminé correct.
• Processus de correction d'erreurs (proof-reading) avec une fréquence d'erreurs très faible (<10-4 ou 10-5).
• Catalyser la formation d'une liaison à haute énergie entre l'ARNt et l'acide aminé

Déchiffrage du code génétique par les ARNt

• Deux étapes : le couplage d'un acide aminé à son ARNt à l'enzyme aminoacyl ARNt synthétase,et la reconnaissance du triplet codant d'un ARNm par un ARNt via le ribosome.

Synthétase : reconnaissance de l'ARNt approprié

• Reconnaissance de l'ARNt par les différentes régions:
• La souche acceptatrice (séquence CCA)
• Région spécifique pour la reconnaissance d'un ARNt.
• La boucle anticodon.
• La boucle D.

Synthétase: Reconnaissance de l'acide aminé (Étape 1)

• Suivant la taille
• Suivant les groupes chimiques réactifs.

La synthétase: Proofreading.

Décrit le processus de révision du ribosome lors de la transcription.

VII. LE CODE GENETIQUE ET LA TRADUCTION

• Les participants majeurs: ARNm, ARNt, amino-acyl ARNt synthétases, ARNr et ribosomes.
• Les étapes de la traduction: Initiation et pré-initiation; élongation (liaison peptidique, translocation); terminaison.
• Régulation et erreurs de la traduction : L'efficacité; les erreurs; régulateurs et inhibiteurs.

3) ARN ribosomique et les ribosomes

• Présentation des ribosomes comme des machines macromoléculaires essentielles à la synthèse des protéines.
• Description historique de la découverte des ribosomes (George Emil Palade, 1974).
• Composition des ribosomes : petite et grande sous-unités, constituées d'ARNr et de nombreuses protéines ribosomiques.
• Prix Nobel de chimie 2009, attribué à Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz et Ada E. Yonath pour la détermination de la structure et du mécanisme du ribosome.
• Fréquence et localisation des ribosomes (bactéries ou eucaryotes).

Ribosomes : fréquence et localisation

• Fréquence des ribosomes dans les différentes cellules.
• Localisation des ribosomes (libres dans le cytoplasme, ou associés au réticulum endoplasmique).

Ribosomes: "machines cellulaires" pour la synthèse des protéines

• Fonctions des ribosomes : association avec l'ARNm et migration, la fixation des ARNt et d'autres protéines, la catalyse de la polymérisation des acides aminés.

Ribosomes : Composition

• Composition chimique des ribosomes (ARN et protéines).
• Composition de la petite et de la grande sous-unité.

Ribosomes : une grande et une petite sous-unité

• Description de la structure et des différences entre les ribosomes des procaryotes et eucaryotes.
• Taille et composition (rRNA) dans les différentes unités.

Ribosome : Structure secondaire de l'ARNr

• Description de la structure secondaire de l'ARN 16S des procaryotes (tiges-boucles, épingles à cheveux).
• Rôle des nucléotides modifiés (méthylation, pseudo-uridine) dans la structure et dans l'interaction.
• Conservation de la structure secondaire, malgré les variations de la séquence nucléotidique primaires dans différents organismes; Importance pour la liaison aux autres composants de la machinerie de synthèse.

Ribosome : composition et fonction

• Rôle structural de l'ARNr comme squelette.
• RôIe fonctionnel de l'ARNr, en tant que ribozyme catalysant les liaisons,
• Description des domaines des protéines ribosomiques.
• Rôle possible des protéines sur la surface du ribosome sans activité enzymatique.

Ribosome : fonction enzymatique

• Description du rôle catalytique du ribosome dans la synthèse peptidique (le grand ARNr est une peptidyl-transférase).
• Absence de protéines dans le site catalytique.

Ribosome : fonctions non-enzymatiques

• Les fonctions non-enzymatiques: la localisation, la stabilisation de la liaison initiale, l'inhibition de l'hydrolyse).

Traduction: initiation

• Le complexe de pré-initiation composé de 40S(petite sous unité des ribosomes), facteurs d'initiation accompagnées par du GTP.
• L'ARNt initiateur (Met-ARNt) s'associe au site P du 40S avant assemblage à la sous-unité 60S.
• Étapes de pré-initiation, le scanning de l'ARNm jusqu'au codon d'initiation AUG.
• Importances des facteurs d'initiation (eIFs).
• Hydrolyse de GTP pour former le complexe d'initiation.

Traduction : initiation chez les eucaryotes.

• Identification des régions proches du site d'initiation (5' UTR) chez les eucaryotes.
• • Rôles des éléments de la séquence Kozak.

Traduction: initiation (suite).

• Les étapes décrites du complex de pré-initiation et de l'initiation.
• Le scan arrete.
• Dissociation de facteurs d'niitaion lors du changement de conformation du ribosome (GTP -> GDP).

Traduction : rôle pour les GTPases

• Les facteurs qui régulent le cycle ribosomal ont une fonction de GTPase.
• La conversion GTP-GDP entraîne des changements structurels importants et conduit à un changement de partenaires pour l'interaction.
• Importance pour la progression des étapes de traduction.

Traduction : initiation (suite).

• Le rôle du complexe d'initiation, l'association de la grande sous-unité ribosomique et l'hydrolyse de GTP pour la finalisation.

Traduction : initiation/élongation

• Les trois sites de fixation des molécules ARNt (site E, site P, et site A) sur le ribosome qui permet la traduction.

Traduction : élongation

• Les différentes étapes de l'élongation (entrée du nouvel aac-ARNt, appariement, formation de la liaison peptidique, translocation).
• Description des facteurs d'élongation (EFs) et leur rôle lors du processus de translocation.
• • EF1: entre aac-ARNt et le site A, vérification de l'appariement codon-anticodon.
• • Hydrolyse GTP si l'appariement est correct.
• Translocation (EF2) du ribosome pour le déplacement du codon.

Traduction : élongations (suivie)

• Description du site actif dans le grande sous-unité, pour la formation de la liaison peptidique.

Traduction : élongation

Description des étapes de la translocation avec leurs mécanismes et facteurs impliqués.

Traduction : terminaison

• Les ARNts ne peuvent pas reconnaitre les codons stop
• Les facteurs de libération (eRFs, eucaryotic release factors) reconnaissent les codons stop.
• • eRF1 reconnait les codons stop
• • eRF1 et GTP, qui se lie aux sites A du ribosome.
• L’hydrolyse du GTP entraîne le détachement de la chaîne polypeptidique du dernier ARNt et l’étape finale du processus. (eRF1 / eRF3)
• importance des facteurs de libération (eRFs dans les phases d'élongation et de terminaison).

Traduction: terminaison (suite).

• Mécanisme du facteur de libération eRF1, similaire à l’ARNt, qui joue un rôle dans le clivage hydrolytique de la liaison ester peptidyl-ARNt et la libération de la protéine mature.

Traduction: terminaison (suivie).

• L’hydrolyse du GTP (associé à eRF3) est nécessaire pour assurer le clivage et la dissociation des facteurs de libération du ribosome.

VII. LE CODE GENETIQUE ET LA TRADUCTION

• Les participants majeurs et les différents étapes du processus de traduction.

7) L'efficacité de la traduction

• La traduction simultanée de multiples ribosomes sur un seul ARNm : les polysomes.
• Le recyclage rapide des sous-unités ribosomales.

8) Les erreurs de la traduction

• Description de la rapidité de la traduction : en comparison entre procaryote et eucaryote.
• Fréquence des erreurs de traduction (<10⁻⁴ a.a).
• Importance de la précision et de la rapidité de la traduction.

Erreurs dans la génération de protéines

• Erreurs de traduction et transcription : causes (erreurs lors de la traduction par les ribosomes et les ARNt; erreurs lors de la transcription de l'ADN par l'ARN polymérase; erreurs de mutations dans l'information génétique).
• Potentiels de génération de protéines incorrectes (fausses).

Traduction: régulation positive (mTOR)

• mTOR comme capteur de la disponibilité des nutriments et de l’énergie.
• L’activation de mTOR par des facteurs de croissance pour la biosynthèse du ribosome et la formation du complexe d’initiation de la traduction (eIFs).
• mTOR joue un rôle crucial dans la régulation positive de la traduction.

Traduction: régulation négative (antibiotiques).

• Les antibiotiques qui inhibent la synthèse des protéines, en ciblant les ribosomes procaryotes et eucaryotes.
• Mécanismes d'action des antibiotiques.
• Antibiotiques tels que la streptomycine, la tétracycline, le chloramphénicol, la cycloheximide, l'érythromycine et la puromycine.

Repliement des protéines

• Importance du repliement correct des protéines pour leur fonction.
• Le folding tunnel, et ses états partiels jusqu' au repliement correct.
• Techniques de dénaturation/renaturation des protéines.
• Agents chaotropiques tels que l'urée et le chlorure de guanidine.
• Les agents réducteurs tels que le bêta-mercaptoéthanol.

Repliement des protéines (suite )

• • Description des mécanismes cellulaires de repliement, y compris l'intervention des chaperonnes moléculaires (comme les Hsp70, GroEL/ES).
• • Fonctions des chaperonnes moléculaires : prévention de l’agrégation des protéines, aide dans le repliement des protéines mal repliées.
• • Mécanisme d’action des chaperonnes moléculaires (liaison ATP, changements conformationnels).

Stabilité des protéines

• Les facteurs qui régulent la stabilité des protéines : l'équilibre entre les taux de synthèse et de dégradation).
• Les protéines qui ont d'importantes régulations sont stables.
• • Méthodes pour mesurer la stabilité des protéines en laboratoire.

Turnover des protéines

• Mécanismes de dégradation des protéines : lysosomes et système ubiquitine-protéasome.
• Fonction des lysosomes.
• Fonction du système ubiquitine-protéasome.
• • Le rôle de l'ubiquitine pour cibler les protéines pour dégradations.

Les protéines mal pliées peuvent causer des maladies (prion diseases)

• Définitions et explications des maladies à prions et les protéines amyloïdes.
• Exemples de maladies causées par l'agrégation de protéines mal repliées.
• • Importance du repliement correct des protéines.

Ce quiz aborde la biologie cellulaire, en se concentrant sur le rôle et la composition des ribosomes. Testez vos connaissances sur leur découverte, la structure de l'ARNt et les mécanismes de traduction. C'est l'occasion parfaite de réviser ce sujet crucial de la biologie.