Chapitre 1 - Bases biochimiques de l'hérédité PDF

Chapitre I Bases biochimiques de l’hérédités Preuves de la nature ADN du matériel génétique Expérience Griffith (expérience de transformation bactérienne) – Deux souches de diplococcus pneumoniae : IIIS et IIR IIIS :possèdent une capsule épaisse et form...

Chapitre I Bases biochimiques de l’hérédités Preuves de la nature ADN du matériel génétique Expérience Griffith (expérience de transformation bactérienne) – Deux souches de diplococcus pneumoniae : IIIS et IIR IIIS :possèdent une capsule épaisse et forment des colonies lisses (Smooth) encapsulées Ces deux souches se distinguent par leur morphologie IIR :dépourvus de capsule et forment des colonies rugueuses (Rough )  Preuves de la nature ADN du matériel génétique Jusqu'à 1944, il n'était pas clair quel composant chimique des chromosomes constitue le matériel génétique des chromosomes contiennent des acides nucléiques et des protéines, tous les deux étaient donc des candidats Boite de pétri avec colonie R et S  Expérience de Griffith Mort de la souris par Forme S pneumonie La souris reste vivante Forme R La souris reste vivante Forme S tuées par la chaleur Mort de la souris par pneumonie Mélange forme R + forme S tuées par la chaleur Conclusion : Existence d’un principe transformant R en S  CONCLUSION Ceci suggère donc qu'il existe chez les cellules S un "facteur transformant", probablement libéré par la chaleur, susceptible d'être intégré par d'autres bactéries, et qui leur confère de façon héréditaire de nouvelles propriétés génétiques.  Expérience de Griffith Conclusion : Existence d’un principe transformant IIR en IIIS  Expérience d’Avery, MacLeod et MacCarty (1944) ❑ Ils reprennent les expériences de Griffith sur la transformation bactérienne, et cherchent à purifier le facteur transformant du pneumocoque. N.B: Le plan expérimental ne fonctionnait pas sur des souris  Expérience d’Avery, MacLeod et MacCarty (1944) Expérience réalisée sur des bactéries R mélangées avec des extraits de bactéries S (filtrat de bactéries S). Traitement de bactéries par la chaleur Extraction et élimination de tout ce qui est glucidique et lipidique. Le filtrat sera par la suite traité avec différentes enzymes dans le but de savoir qui était responsable de la transformation Expérience d’Avery, MacLeod et MacCarty (1944) les bactéries R sont dites transformées Conclusion : le principe transformant est l’ADN (L’expérience ne fonctionne ni avec les ARN ni avec les protéines Expérience d’Avery, MacLeod et MacCarty (1944) Conclusion : le principe transformant est l’ADN  Structure de l’ADN Définition: acide désoxyribonucléique – un polymère de nucléotides – macromolécule très longue. – 2 chaines hélicoïdales antiparallèle – Indispensable à la vie cellulaire  Structure de l’ADN Définition: acide désoxyribonucléique – un polymère de nucléotides – macromolécule très longue. – 2 chaines hélicoïdales antiparallèle – Indispensable à la vie cellulaire  Structure de l’ADN Est un polymère de mononucléotide: liee de facon covalente: formé par l’enchainement de : – Acide orthophosphorique – Désoxyribose – Bases azotées Acide Désoxyribose orthophosphorique  Désoxyribose (C5H10O4) Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (DNA) est dérivé du ribose par une réduction de la fonction alcool secondaire du carbone n°2.  Structure de l’ADN Mononucléotide:  Structure d l’ADN Mononucléotide: – Bases azotées B. Purique (A et G) bases bicycliques azotées B. Pyrimidique (C et T) bases monocycliques azotées  Structure d l’ADN Mononucléotide:  Structure d l’ADN Mononucléoside/mononucléotide: BA BA groupement phosphate sucre sucre Nucléoside = sucre + BA Nucléotide = Nucléoside + groupement Phosphate = sucre + BA + groupement Phosphate  Structure d l’ADN Mononucléotide: Liaison N- glycosidique Liaison covalente Mononucléoside: base + sucre associé par une liaison covalente N-osidique.  Base Nucléoside Nucléotide s s s Adénine désoxyadénosin dAMP, dADP,dATP Guanin edésoxyguanosine dGMP, dGDP,dGTP ADN e Thymin désoxythymidine dTMP, dTDP,dTTP e Cytosine dCMP, dCDP,dCTP désoxycytidine Adénine Adénosine AMP, ADP,ATP Guanin Guanosine GMP, GDP, GTP ARN e Uracil UMP, UDP,dTP Uridin e Cytosine e ytidine C CMP, CDP, CTP La forme triphosphate est importante car elle sert de précurseur à la synthèse d’acide nucléique dans la cellule Numérotation au niveau des nucléotides NMP NDP NTP  Structure d l’ADN Définition: acide désoxyribonucléique – un polymère de nucléotides – macromolécule très longue. – 2 chaines hélicoïdales antiparallèle – Indispensable à la vie cellulaire  5’ P Structure primaire de l’ADN 3’OH  Structure primaire de l’ADN 5’ P Le squelette de l’ADN correspond à une alternance des résidus pentoses et les résidus phosphates Les bases se fixent latéralement sur le carbone 1’ du pentose Extrémité contient le groupe phosphate en 5’ du pentose appelé extrémité 5’ p Extrémité contient le groupe OH libre en 3’ 3’OH  5’ P Structure primaire de l’ADN Deux mononucléotides sont liés entre eux au niveau de leur sucre par un groupement phosphate. 3’ → 5’ phospho diester 3’OH Chaque nucléotide possède une extrémité C-5' et une extrémité C-3'. La liaison entre deux nucléotides produit un dinucléotide; entre trois nucléotides c'est un trinucléotide  Structure secondaire de l’ADN Chargaff en 1952 a déterminé la quantité de bases azotées présentes ds l’ADN provenant de diverses cellules appartenant à des espèces différentes  Structure secondaire de l’ADN Résultat de Chargaff (1952)  Résultat de Chargaff (1952) Résultat de Chargaff (1952): Nb de A = Nb T et le Nb de G= C A / T = C / G = 1, c'est la loi de Chargaff. Structure secondaire de l’ADN  Structure secondaire de l’ADN Résultat de Chargaff (1952) Et que les deux types de couple de bases Se lient par des liaison H Donc on parle de complémentarité de base Entre A et T d’un côté et G et C d’un autre côté La structure secondaire de l'ADN : appariements entre les bases  Structure secondaire de l'ADN les 2 brins antiparallèle Complémentarité : les bases des acides nucléiques s'apparient grâce à des liaisons H (hydrogène). Il se forme 3 liaisons H entre C et G et 2 liaisons H entre A et T  Structure secondaire de l’ADN Ainsi la molécule d’ADN a la forme d’une échelle don’t les montants sont faits par la succession 3’ sucre 5’ phosphate et les barreaux par l’union sucre base / base sucre  Structure d l’ADN Définition: acide désoxyribonucléique – un polymère de nucléotides – macromolécule très longue. – 2 chaines hélicoïdales antiparallèle (hélice B) – Indispensable à la vie cellulaire  Structure tertiaire de l’ADN Watson et Crick (1953): double hélice Structure tertiaire de l’ADN  Structure d l’ADN Définition: acide désoxyribonucléique – un polymère de nucléotides – macromolécule très longue. – 2 chaines hélicoïdales antiparallèle – Indispensable à la vie cellulaire  Role de l’ADN Support de l’information génétique – Duplication Assure la présence du matériel génétique dans les cellules filles – Contrôle de la synthèse protéique Réalisation et expression du caractere héréditaire  Mode de réplication Depuis Watson et Crick (1953), on sait que l'ADN est une molécule formée de deux brins antiparallèles, formant une double hélice. Watson et Crick ont proposé que cette double hélice puisse s'ouvrir, permettant ainsi la synthèse de nouveaux brins, complémentaires des brins originaux.  Le problème à résoudre Le problème qui se posait à Meselson et Stahl était alors de comprendre comment se réalisait cette réplication : selon quelles modalités passe-t-on d'une molécule d'ADN formée de deux brins à deux molécules d'ADN bicaténaires identiques ?  Pour expliquer la duplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés B. Semi conservative Chaque C. Dispersive On ne A. Conservative ou brin sert donc de matrice à la conserve aucun brin intact, ségrégative : On garde donc synthèse d'un brin les nouveaux brins sont ici une molécule "mère", non complémentaire, l'ensemble constitués à la fois d'ADN modifiée (elle est donc reformant une molécule d'ADN de la molécule mère et conservée), tout en "créant" bicaténaire. Chaque nouvelle d'ADN néo-formé une nouvelle molécule ("fille"). molécule "fille" ne conserve donc que la moitié de la molécule "mère".  Mode de réplication 3 Modes de réplications possibles Semi conservative  Duplication = Réplication Origine de réplication (eucaryote, procaryote) Sens de réplication Amorce/matrice/nucléotide Enzymes de réplication Fourche de réplication Fragment d’Okazaki  Duplication = Réplication – Origine de ❑ La réplication va réplication : commencer à des endroits Eucaryote (plusieurs) : précis : les origines de le génome est réplications. beaucoup plus important (homme 3.5 109pb) – Et donc l’initiation multiple et simultanée est un moyen de réduire le temps nécessaire à la réplication complète d’une grande molécule d’ADN  La réplication de l’ADN débute à partir d’une origine de réplication et progresse dans les deux sens à partir de ce point, On dit que la réplication de l’ADN est bidirectionnelle créant ainsi deux fourches de réplication ✔ Chaque origine de réplication est donc constituée de deux fourches de réplication 2 fourches de réplication  ADN polymérases ▪ Enzyme de polymérisation des nucléotides (synthèse d'ADN) ▪ Ne peut qu’allonger un brin amorce préexistant et à partir de son extrémité 3 OH libre ▪ 4 éléments nécessaires A dNTP C G T C s A G T Amorc 3’ T A A TC A A e 5’ U-G-C-A-U-G-A-C-C-G-U-G-G-A-C-U-U-A-A-A OHC G G 3’ A-C-G-T-A-C-T-G-G-C-A-C-C-T-G-A-A-T-T-T-G-C-A-T-T-G-C-A 5’ ADN polymérase Extension  4 éléments nécessaires - nécessité d’avoir une amorce ; - le dernier résidu de l’amorce doit avoir un groupement hydroxyle libre (3’OH) ;sur lequel l ADN polymérase ajoutent des nucléotides - nécessité d’avoir une matrice comme modèle" permettant le choix du nt à ajouter - L'ADN polymérase catalyse la formation d'une liaison phosphodiester entre les substrats : un désoxyribonucléoside triphosphate (dNTP) et l'extrémité 3'-OH libre d'une amorce (primer) ARN ou de a chaîne (ADN-polymérase III : —> 15.000 nt/min d'ADN en croissance. = 250 nt/sec  Sens de lecture du modèle et sens de synthèse lecture = 3' —> 5' Synthèse Ou croissance de l’ADN se fait ds le sens= 5'—> 3  Mécanisme de la réplication On distingue trois étapes au cours de la réplication : Initiation élongation terminaison. La réplication de l’ADN : semi-conservatrice et bidirectionnelle change sa forme super enroulée pour passer à une forme moins enroulée, dans laquelle il est accessible aux autres enzymes. La réplication de l’ADN débute à partir d’une origine de réplication et progresse dans les deux sens à partir de ce point créant ainsi deux fourches de réplication. On dit que la réplication de l’ADN est bidirectionnelle.  3. primase 5 synthétise l’amorce d’ARN ’ III et donc synthétise le brin directeur d’une façon continue brisent les liaisons hydrogènes entre 5 les deux brins de la double hélice d’ADN ce qui permet leur séparation 7 6 L’autre brin synthèse discontinue car les matrices sont inversées Et que les enzymes ne fonctionnent qe ds une direction 5’ 3’  La réplication de l’ADN : semi-conservatrice et bidirectionnelle Réplication de l'ADN : (a) brins « parents » ; (b) brin continu (dit avancé), dans le sens 5' vers 3' ; (c) brin discontinu (dit retardé), formé de fragments d'Okazaki ; (d) lieu de séparation des brins par l'enzyme hélicase ; (e) amorce ; (f) fragment d'Okazaki  ATTENTION le « brin direct » est le brin complémentaire du brin parental orienté 3’ vers 5’ (le « brin direct » est donc orienté 5’ vers 3’). Il est donc créé de façon continue, dans le sens 5’ vers 3’ le « brin indirect » est le brin complémentaire du brin parental orienté 5' vers 3’. Il est créé de façon discontinue, sous forme de fragments d’Okazaki, dans le sens 5’ vers 3’. Chez le procaryote, les fragments d'Okazaki mesurent de 1000 à 2000 bases, et chez l'eucaryote ils sont d'environ 200 bases  Terminaison les fourches de réplication s’arrêtent soit lorsqu’elles rencontrent une autre fourche de réplication, soit lorsqu’elles arrivent à l’extrémité d’un chromosome.  chaque fourche de réplication: ▪ un brin précoce qui subit une synthèse continue ▪ un brin tardif dont la synthèse s’effectue de manière discontinue dans un sens opposé à celui de la progression de la fourche de réplication.  Rôle de l’ADN Support de l’information génétique – Duplication Assure la présence du matériel génétique dans les cellules filles – Contrôle de la synthèse protéique Réalisation et expression du caractère héréditaire STRUCTURE ARN/ADN  Comparaison ADN/ARN ADN ARN Sucre Désoxyribose Ribose Base Thymine Uracile Molécule Double brin, longue Simple brin, courte Biosynthèse Nécessite amorce Pas besoin d’amorce Localisation Nucléaire, Nucléaire et (mitochondrie et cytoplasme chloroplaste)  Transcription La synthèse d’une protéine : transcription d 1 gène et traduction Définition: L’opération qui consiste à transcrire une information codée ds l’AND (brin matrice) en une information codée ds l’ARN Synthèse dans le sens 5’→3’ ARN polymérase sur promoteur du gène Un seul brin transcrit Terminateur  Différents types d’ARN Intervention de l’ARN polymérase. Fabriqué au contact direct de l'ADN ARNm: qui spécifie la sequence des aa d 1 protéine – support de l'information génétique d'un ou plusieurs gènes codant pour des protéines. ARNt: non codant – Utilisé dans la synthèse protéique comme adaptateur entre l'ARNm et les acides aminés (la correspondance entre l'information génétique portée par l'ARN messager et les acides aminés contenus dans la protéine codée par cet ARN messager (ARNm). – Chaque type de molécule d'ARNt est lié de façon covalente à un acide aminé particulier. ( liaison ester du coté 3’ OH) – Amino-acyl ARNt synthétase (catalyse l'estérification de l'acide aminé spécifique) – ARNr: C'est de l’ARN qui entre dans la composition du ribosome.  ARN de transfert Liaison covalente avec aa Complementaire de l ARN ribo Boucle dihydrouridine Ils se replient pour adopter une structure complexe comportant plusieurs tiges-boucles.ne sont pas des molécules doubles brins  1 2 3 5' GGC 3‘ Anticodon de l'ARN t 3' CCG 5' Le codon de l'ARN m Acide amine correspond au codon 5 GCC 3 Transcription  Structure d’un gène N'est pas transcrit Site d’initiation de la transcription (premier nucleotide transcrit +1) L'ADN est une molécule composée de deux brins, mais le gène est classiquement représenté par le brin sens, c'est-à-dire le brin qui n'est pas transcrit.  Transcription 5 3 ’ ’ 3 5 ’ ’  Transcription Possibilité transcription de plusieurs gènes en même temps  Transcription Au début la plupart des ARN sont ▪ Transcrit primaire = pré ARN ▪ Mosaïques des : Exon – intron: épissage → ARN mature Procaryote: pas d’intron REMARQU LeEgène: Exon séquence codante se traduit en aa Intron séquence non codante  La structure de l'ARNm mature :Open reading frame= cadre de lecture ouvert formé par des exons UTR : untranslated regions en anglais  Transcription: Procaryote/ eucaryote Procaryote Eucaryote – Nucléaire – Cytosolique – Pas d’association avec – Association avec ribosome avant la fin de la ribosome se fait avant transcription (dans cytoplasme) la fin de la transcription – Maturation: coiffe en 5’, – Pas de maturation épissage des introns et polyA en 3’ pour l’ARNm,  Etapes de la transcription Est catalysée par l'ARN polymérase. La transcription comprend trois phases : initiation élongation terminaison Sens de la Unwinding synthèse de l’ARN transcrit Elongation winding  Le code génétique Le passage de l'ordre du gène à l'ordre de la protéine fait intervenir un système de correspondance que l'on appelle code génétique  Caractéristiques du code génétique ▪ les 4 types de base A, U, C, G (l’ARNm) constituent les lettres avec lesquelles est écrit le code génétique ▪ Chaque « mot = codon » de l'ARNm contient trois lettres ribonucléotidiques. Chaque codon spécifie un acide aminé. ▪ Le code n'est pas ambigu ▪ Le code est dégénéré (répétitif ou redondant) Un codon START (initiation) (AUG) donne le signal du début de séquence. Trois codons STOP ou non sens (UAA, UAG, UGA) stoppe la synthèse protéique ▪ Continuité du code génétique : les codons sont lus l les uns après les autre sans discontinuité (jusqu'à ce qu'un signal d'arrêt soit présent ▪ Le code n’est pas chevauchant : les codons sont lus successivement sans chevauchement ….une base n'entre ds la composition qu'un seul codon ▪ Le code est presque universel.  Le code génétique est formé d’une séquence de codons présents dans l’ARN messager et lus par les ribosomes dans le sens 5 ’vers 3’ pour produire un peptide Les ribosomes traduisent le cadre de lecture ouvert de l'ARNm Pour toute séquence de nucléotides, il existe trois cadres de lecture potentiels. Premier cadre de lecture potentiel de l'ARNm: 5 'AUA UGC GAG UCC GGC CCU AA 3 ’ H2N Ile-Cys-Glu-Ser-Gly-Pro COOH Deuxième cadre de lecture potentiel: 5 A UAU GCG AGU CCG GCC CUA A 3’ H2N Tyr-Ala-Ser-Pro-Ala-Leu COOH Troisième cadre de lecture potentiel : 5 'AU AUG CGA GUC CGG CCC UAA 3 ’ H2N Met-Arg-Val-Arg-Pro COOH un seul représente le cadre de lecture ouvert (open reading frame ou ORF en anglais), c  Le cadre de lecture ouvert commence par le codon d’initiation AUG et se termine par le premier codon stop rencontré (dans l’exemple ci-dessus le codon stop est l’UAA). Alors, le cadre de lecture ouvert (ORF) est représenté par : 5 'AUG …………………..Stop codon 3 '  Traduction Elément : ARNm, ARNt, ribosomes ARNt: anticodon, aa ARNt synthétase Structure du ribosome  EXPRESSION DU GENOME: SYNTHESE DES PROTEINES TRADUCTION Chaque triplet de bases ADN code pour un triplet de bases ARN: CODON Un codon code pour un acide aminé mais un acide aminé peut être codé par plusieurs codons.  Le code génétique - Le code génétique est dit dégénéré: - Pas ambigu: 1codon=1aa - Presque universel - Non chevauchant Un codon START (initiation) (AUG) donne le signal du début de séquence. Trois codons STOP (UAA, UAG, UGA) stoppe la synthèse protéique 3 COL possibles mais  Traduction: 3 étapes Initiation Initiation: – AUG au site P du ribosome (petite sous unite) – Fixation de la grande sous unite (Ribosome complet)  Traduction: 3 étapes Peptidyl transferrase Elongation Initiation: Elongation: – Petite sous unite assure la lecture des codons de l’ARNm et grande sous unite catalyse la formation de la liaison peptidique Terminaison  Traduction: 3 étapes Initiation: Elongation: – Petite sous unite assure la lecture des codons de l’ARNm et grande sous unite catalyse la formation de la liaison peptidique – 2eme ARNt charge en aa arrive dans le site A – Peptidyl transferrase catalyse la formation de la liaison peptidique Terminaison – Site A vide – Intervention de facteurs de terminaisons pour couper LC entre l’ARNt et le peptide Initiation Elongation Terminaison Correspond au site Correspond à d’accroche de ARNt portant aa à l’ARN t porteur de ajouter a chaine peptidique  Polysomes Un polysome ou polyribosome est un ensemble de ribosomes reliés entre eux par un ARN messager  Soit la séquence suivante d’ADN: 5’-ATTCTCAGCTA-3’. La séquence d’ADN complémentaire est: a. 3’ TTAGAGTCATT 5’. b. 3’ TAAGAGTCGAT 5’. c. 3’ TAAGAGAGTTA 5’. d. 3’ TAAGAGTCGTT 5’. Dans le cas où le pourcentage de A+T= 56 celui de G est: a. 44 b. 22 c. 28 d. non déterminé Soit la séquence suivante du brin SENS de l’ADN. 5’ ATCCGATGAC 3’ Donner la séquence de l’ARN. a- 5’AUCCGAUGAC 3’ b- 5’UAGGCATCUG 3’ c- 5’GUCTACGGAU 3’ d- 5’CAGUAGCCUA 3’  Le rôle du code génétique est de convertir la séquence d’acide nucléique en séquence en acide aminé. On peut dire : a- Toute la séquence de l’ARNm est codante b- les 64 codons codent pour des acides aminés c- la plus part des acides aminés sont codés par plusieurs codons d- tous les acides aminés sont codés par plusieurs codons L’initiation de la synthèse de l’ADN lors de réplication se fait a- à partir du promoteur b- dans le sens 5 '→3' c- dans les deux sens 5’→ 3’ et 3’→ 5’ d- À partir d'une origine de réplication Au cours de la transcription, le brin non lu par l'ARN polymérase est? a- le brin codant b- le brin matrice c- le brin non codant d- le brin terminateur  Si Hershey et Chase ont trouvé du 35S dans la bactérie plutôt que du 32P, leur expérience aurait démontré que : – Les protéines contiennent du phosphore – L'ADN contient du soufre – L'ADN phagique pénètre dans la cellule hôte (bactérie) – Les protéines du phage pénètrent dans la cellule hôte Dans la double hélice de l'ADN : – Les bases puriques et les pyrimidiques sont liés par des liaisons phosphodiesters – L’appariement entre les deux brins se fait entre des bases puriques et pyrimidiques – La distance entre deux nucléotides adjacents sur le brin est de 3,4 nm – Les deux brins d'ADN sont identiques  Qu’est ce qui est vrai concernant les ribosomes – Ils fixent directement un acide aminé à un triplet de nucléotides de l’ARNm – Ils commencent la traduction au codon stop – Ils associent un acide aminé à un triplet de nucléotides du ARNm par l’intermédiaire du ARNt (ARN de transfert) – Pas de bonnes réponses Concernant la transcription – L’oeil de transcription se compose de deux fourches – Le brin matrice est lu dans le sens 3’→ 5’ – Comme la réplication de l'ADN, les deux brins d'ADN sont transcrits en ARN, – Comme la réplication de l'ADN, elle implique une primase