Biologie Moléculaire et Biotechnologie - Chapitre 7 PDF

Sordo Sanchez Norma Chapitre 7 : biologie moléculaire et biotechnologie Il existe plusieurs biomolécules : - Les glucides (réserve énergétique, matrice extracellulaire) - Les lipides (réserve énergétique, membrane) - Les acides nucléiques (stockage de l’information génétique, synthès...

Sordo Sanchez Norma Chapitre 7 : biologie moléculaire et biotechnologie Il existe plusieurs biomolécules : - Les glucides (réserve énergétique, matrice extracellulaire) - Les lipides (réserve énergétique, membrane) - Les acides nucléiques (stockage de l’information génétique, synthèse protéique) - Les protéines (structure, transport, réaction biochimiques, communication…) 1. Les glucides ou sucres Ø Molécule constituée uniquement de C, H et O. Ø Contient un groupe carbonyle (CO) Ø Contient plusieurs groupes hydroxyles (OH) à Alcool Ø La formule brute à Cn (H2O)m Ø Ils sont produits par les végétaux à partir du CO2 via la photosynthèse ou par des glucides via la néoglucogenèse. Il existe 2 types de glucides : Ø Les oses : monosaccharides (glucides simples) - Non hydrolysables = il ne peut pas être coupé en 2 oses plus petit - Possède généralement 3 carbones (trioses), 5 carbones (pentoses) ou 6 carbones (hexoses) Ex : glucose, fructose, galactose Ø Les osides : polymères d’oses à chaines d’oses = glucose (glucides complexes) - Liaisons glycosidiques entre oses Disaccharides Ex : lactose, maltose, saccharose Polysaccharides 133 | P a g e Sordo Sanchez Norma Ex : amidon, cellulose, glycogène 1) Rôles physiologiques des glucides : Ø Energie : synthèse de l’ATP (glycolyse et cycle de Krebs) Ø Mise en réserve énergétique (glycogenèse hépatique et musculaire) Ø Glycolipides, glycoprotéines (membrane, sang) Ø Protéoglycanes de la matrice extracellulaire Ou les retrouve-t-on ? o Dans notre alimentation : - Monosaccharides (miel et fruits) - Disaccharides (lait et légumes) - Polysaccharides (amidon et cellulose) o Synthèse par néoglucogenèse à partir d’acides aminés, lactate ou glycérol (foie et rein) 2) Monosaccharides = oses : Formule = (CH2O)n 3) Isomère du glucose : 134 | P a g e Sordo Sanchez Norma Le glucose, fructose et galactose sont des hexoses ils ont donc la même formule brute : C6H12O6. Les carbones du glucose, pour certains d’entre eux, sont des carbones asymétriques c’est-à-dire qu’ils lient 4 atomes ou groupements différents. Si on inverse une des 4 associations on obtient 2 molécules différentes = les énantiomères. Carbone du glycose peuvent être asymétrique à énantiomères. Le glucose est constitué d’une longue chaine carbonée qui peut se refermer sur lui-même et former un cycle. La plupart nos glucoses sont cycliques, mais en se refermant sur elle-même, le glucose cyclique crée un carbone asymétrique. 4) Disaccharides = diholosides : 135 | P a g e Sordo Sanchez Norma C’est l’association de 2 oses. Formule : Cn(H2O)n-1 ou m = n-1 5) Les glucides : Polysaccharides = polyosides. 6) Glycogène : 136 | P a g e Sordo Sanchez Norma C’est une molécule possédant un très grand nombre de liaisons alpha (1-4) et des ramifications alpha (1-6). o Une seule extrémité C1 qui permet la liaison au glycogénine o De nombreuses extrémités C4 libres (non-réductrice) impliquées dans le processus de croissance/décroissance. 2. Les acides nucléiques 137 | P a g e Sordo Sanchez Norma Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides liés par des liaisons phosphodiester. Le nucléotide est composé : - D’un sucre - D’une base azotée à il en existe 4 pour l’ADN (adénine, guanine, cytosine et thymine) et 4 pour l’ARN (adénine, guanine, cytosine et uracile) - D’un groupement phosphate 1) L’acide désoxyribonucléique : Il a une structure en double hélice. 2) Appariement des bases de l’ADN : L’ADN est formé de ATCG. 138 | P a g e Sordo Sanchez Norma L’adénine et la thymine sont complémentaires et la guanine et la cytosine sont complémentaires. Entre l’Adénine et la thymine il y a 2 ponts d’hydrogènes. Entre la guanine et la cytosine il y a 3 ponts d’hydrogènes. Nous avons du désoxyribose dans l’ADN. L’ADN est constitué d’un brin complémentaire, l’ADN est bicaténaire. 3) Acide ribonucléique (ARN) : Il y a 3 différences par rapport à l’ADN : o Monocaténaire o Thymine (T) est remplacée par l’uracile (U) o Désoxyribose est remplacé par le ribose 3. Les protéines - Ce sont des polymères d’acides aminés liés par des liaisons peptidiques. 139 | P a g e Sordo Sanchez Norma - Il y a 20 acides aminés différents - Les ribosomes vont assembler les acides aminés dans l’ordre codé par l’information génétique présentent sur l’ADN. - Il y a plusieurs structures : structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure est responsable de la fonction. 1) Les structures : Lorsque le ribosome a fini sa tâche, on obtient une longue chaine d’acide aminé = structure primaire. Cette structure est non fonctionnelle. Pour la rendre fonctionnelle : 1) On va générer des ponts d’hydrogènes entre les acides aminés de la même chaine ce qui va permettre de former des hélices alpha ou des feuillets plissés beta à structure secondaire. 2) On va former la structure tertiaire qui est obtenu par reploiement de la protéine (consiste à faire des liaisons entre des acides aminés éloignés de la protéine. Ce processus est possible grâce à la propriété qu’on les 140 | P a g e Sordo Sanchez Norma acides aminés de faire des ponts d’hydrogènes, des liaisons ioniques, des ponts de Van der Waals,… 3) La forme finale de la protéine à lieu après reploiement de la protéine en solution aqueuse donc les acides aminés polaires vont se retrouver en surface (au contact de l’eau) de la structure tridimensionnelle et les acides aminés non polaires vont retrouver à l’intérieur de la structure. La structure tridimensionnelle va réaliser la fonction de la protéine. La structure quartenaire = association de plusieurs chaines peptidiques pour former une protéine fonctionnelle. 2) Rôles physiologiques des protéines : Ø Rôle de structure (avec le collagène) 141 | P a g e Sordo Sanchez Norma Ø Rôle catalytique (avec les enzymes) Ø Rôle hormonale Ø Rôle de transport Ø Rôle de récepteur 4. Les lipides Ce sont des molécules contentant des acides gras. Les acides gras = Une longue chaine d’hydrocarbure terminée par un acide carboxylique. Le nombre de carbone est toujours pair chez les animaux et compris entre 4 et 28 carbones. Les acides gras se distingue grâce au nombre de carbone mais aussi en fonction de leur saturation. Un acide gras saturé = c’est un acide dont les liaisons carbone-carbone sont simples. Un acide gras monoinsaturé = une seule double liaison entre 2 carbones. Un acide gras polyinsaturé = plusieurs doubles liaisons entre 2 carbones. 1) Rôles physiologiques des lipides : Ø Réserve énergétique la plus importante 142 | P a g e Sordo Sanchez Norma Ø Isolant thermique (tissus sous-cutanés) Ø Constituant des membranes Ø Protection mécanique Ø Rôle hormonale Ou les trouve-t-on ? o Dans notre alimentation (graisses, huiles) o Synthèse à partir des glucides 2) Triglycérides : Les triglycérides = Graisse ou huile formé de triesters de glycérol et d’acide gras. Ils sont composés d’un glycérol et de 3 acides gras. Il existe 2 types de triglycérides : Ø Les triglycérides saturés : il y a beaucoup plus de force de Van der Waals. Elles ont une tendance à être solide à les graisses. Ø Les triglycérides insaturés : il n’y a pas d’interaction et beaucoup moins de force de Van der Waals. Elles ont une tendance à être liquide à les huiles. 3) Phosphoglycérolipides (phosphatidylcholine) : Elles sont composées de 1 glycérol sur lequel s’attache 2 acides gras et 1 phosphate. Sur ce phosphate se trouve un groupe moléculaire qui est ionique ou polaire tandis que les acides gras sont non polaires ce qui va donner le caractère amphiphile. 143 | P a g e Sordo Sanchez Norma 4) Cholestérol et hormones stéroïdes : Le cholestérol contrôle la fluidité membranaire. Il est à la base des hormones stéroïdes. 5. Synthèse protéique 1) ADN, support de l’information génétique : L’ADN est constitué de 2 brins anti-complémentaires. 2) La transcription : A partir des 2 brins de l’ADN, on va réaliser une copie d’un des 2 brins d’ADN pour former l’ARNprémessager. Après la mutation on obtient l’ARNm qui va quitter le noyau et être pris en charge dans le cytosol par le ribosome qui va réaliser la traduction (=opération qui permet de synthétiser une protéine à partir de l’information présente sur l’ARNm). Gène = fragment d’ADN contenant l’information pour la synthèse d’un ARN (par la suite une protéine). Ø La transcription se déroule dans le noyau de la cellule Ø La transcription se déroule sous le contrôle de facteurs de transcription Ø La molécule d’ARN est synthétisée par l’ARNpolymérase Ø L’ARNpolymérase utilise l’ADN comme modèle Synthèse : 144 | P a g e Sordo Sanchez Norma Chaque gène possède une séquence d’ADN promoteur (ou des protéines se fixent à les facteurs de transcription) qui recrute un grand complexe protéique (l’ARNpolymérase). L’ARN est synthétisé par l’ARNpolymérase en utilisant 1 des 2 brins de l’ADN. La transcription va faire grandir l’ADN du coté 3. Le brin codant est le brin qui a la même séquence que le brin d’ARN synthétisé ou c’est le brin utilisé comme matrice pour synthétiser l’ARN. Régulation de la transcription : o Les boites TATA o Les facteurs de transcription de base o ARNpolymérase 3) Maturation de l’ARN : L’ARNprémessager est une structure très instable. Pour la stabiliser on ajoute une coiffe coté 5 et une queue coté 3. L’ARNprémessager est constitué d’introns et d’exons. 145 | P a g e Sordo Sanchez Norma Les introns = séquence d’ADN non codante du gène. Ils n’ont aucune fonction Les exons = séquence d’ADN qui code pour les synthèses des protéines. C’est une séquence codante. è Lors de la maturation, les introns sont éliminés et les exons se collent (épissage) : devient ARNm. L’épissage est le processus d’élimination des introns Changement de langage : o Traduction o Triplet de base = forment les codons 4) La traduction : 146 | P a g e Sordo Sanchez Norma Ø Synthèse dans le cytoplasme Ø Synthèse réalisée par les ribosomes Ø Le ribosome utilise l’ARNm comme matrice pour réaliser sa synthèse protéique Elle nécessite un mécanisme permettant de reconnaitre les codons de l’ARNm et pour chaque codon utilisé dans la séquence. Chaque codon possède un ARN de transfert correspondant (sauf pour les codons stops). 5) Structure du ribosome Les ribosomes sont composés de 3 sites : o Sites A (va accueillir les acides aminés) o Sites P (ARNt va se lier à des peptides) o Sites E (ARnt va quitter le ribosome) Etapes : 1) Initiation 2) Elongation : - Reconnaissance du codon - Formation d’une liaison peptidique - Translocation 3) Terminaison : - Le ribosome arrive à un codon d’arrêt sur un brin d’ARNm - Hydrolyse de la liaison entre l’ARNt et le dernier acide aminé de la chaine polypeptidique - Dissociation des sous-unités et des autres composantes 6. Réplication de l’ADN 147 | P a g e Sordo Sanchez Norma Chaque fois que la cellule se divise (mitose ou méiose), il y a une phase de réplication (=phase S) ou on utilise les propriétés de l’ADN. o On va casser les ponts d’hydrogènes entre les 2 brins, ensuite on va reconstruire les brins de manière quasi identique au brin parental. o L’ARNpolymérase produit une molécule d’ADN quasiment identique à la molécule parentale. La synthèse de l’ADN se fait dans le noyau. 1) Origine et œil de réplication : La séparation de l’ADN se fait à plusieurs endroits du chromosome. La réplication de l’ADN se fait dans des oeils. La réplication de l’ADN se termine lorsque les oeils se rejoignent. 2) Allongement du brin néoformé : La fourche de réplication s’ouvre de 3 vers 5 mais la synthèse se fait de 5 vers 3. 7. Correction d’épreuve et réparation de l’ADN Parfois il y a des erreurs lors de la réplication de l’ADN. 148 | P a g e Sordo Sanchez Norma L’ADNpolymérase fait très peu d’erreur car il est capable de relire la séquence qui vient d’être répliqué et donc de vérifier qu’elle est correcte. S’il constate une erreur il peut modifier le nucléotide mauvais pour en mettre un bon. Certaines erreurs peuvent entrainer des dysfonctionnements cellulaire = mutations. Pour chaque division cellulaire, la probabilité d’erreur pour un gène donné est de 10-7 1) Mutation : Les mutations sont des processus naturels. Ils font parties de la spécificité des espèces. Les erreurs sont inévitables (pas de mutations = pas d’évolution). Il existe des agents mutagènes, ces agents provoquent des altérations de l’ADN à augmente la fréquence des mutations. Agents mutagènes = agents chimiques et agents physiques : o Les rayons X o Les rayons alpha, beta et gamma o Les rayons UV Ces agents vont augmenter le taux de mutations : o La mutation touche une seul base de l’ADN à mutation ponctuelle o Ajout de base à insertion o Enlever une base à délétion o Remaniements chromosomiques = les chromosomes sont collés o Aneuploïdie = nombre de chromosome anormale è La modification peut entrainer un changement de phénotype. Cela entraine souvent une perte de fonction du gène (parfois gain de fonctions, la protéine va servir à autre chose). Quand la mutation est ponctuelle, on peut avoir 3 possibilités au niveau des conséquences : o Le nucléotide change mais la protéine reste la même. Il existe plusieurs codons qui codent pour le même acide aminé à Mutation silencieuse. o Si on change le nucléotide du codon il va coder un autre acide aminé à Mutation faux sens. o Si on change le nucléotide du codon il va coder un codon stop à Mutation non-sens. 149 | P a g e Sordo Sanchez Norma 2) La translocation : C’est lorsqu’on casse les chromosomes et qu’on les recompose dans une autre configuration que la configuration de départ. 3) Les rayons UV : Ils provoquent la formation de dimères de thymine mais aussi de dimères de thymine-cytosine et des dimères cytosine-cytosine. Ces dimères sont des structures stables entrainant une distorsion considérable de la structure de l’ADN. La présence de tels dimères entraine un blocage dans la réplication de l’ADN et dans la transcription. Sans réparation, leur présence serait donc létale pour la cellule. 4) Les radiations ionisantes : Ils peuvent conduire à des coupures d’un brin d’ADN ou des 2 brins d’ADN. 8. Biotechnologies Le PCR est une technique qui permet à partir d’un fragment d’ADN d’amplifier une molécule d’ADN. Pour se faire on va augmenter la température afin de séparer les brins d’ADN (l’ADN est chauffé à 95°C). Ensuite, on réduit la température à 72°C pour que l’ADNpolymérase fonctionne de manière optimale à synthèse des brins complémentaires par l’ADNpolymérase. On va recommencer plusieurs fois pour avoir des milliards de copie d’ADN initial. Le PCR permet le séquençage. 1) Séquençage de l’ADN : Après l’amplification de l’ADN par le PCR on peut identifier les bases à partir de nucléotides portant des marqueurs fluorescents à le séquençage sert donc à déterminer les bases successifs d’un brin. 2) L’ADN recombinant : 150 | P a g e Sordo Sanchez Norma Les outils les plus simples à notre disposition sont des enzymes de restriction. Ces enzymes sont capables de couper l’ADN au niveau d’une séquence particulière. Ensuite, on peut couper un autre brin d’ADN avec le même enzyme et les recoller ensemble à Echange d’ADN entre plusieurs molécules d’ADN d’origine différente. 3) Production d’ADNc : Les bactéries n’ont pas d’introns (savent pas faire l’épissage) il faut donc utiliser une séquence d’ADN déjà épissé. ADNc = ADN complémentaire sans introns. 4) Clonage génique : Production de protéines recombinantes comme médicament. 151 | P a g e