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La synthèse des protéines est le processus par lequel une cellule assemble les acides aminés isolés présent dans son cytoplasme en une chaine protéique, à partir de l'information contenue dans l'ADN. Elle se déroule en deux étapes au moins : la transcription de l'ADN en ARN messager et la traduction de l'ARN messager en une protéine.
Chez les eucaryotes, ces deux étapes sont successives, la première se déroule dans le noyau, la seconde, dans le cytoplasme, elles sont en outre suivie par une étape de glycosylation qui ajoute des molécules d'oses aux chaînes protéiques. Chez les procaryotes, les deux étapes ont lieu dans le cytoplasme et peuvent être simultanées, la traduction débutant alors que la transcription n'est pas encore achevée.
Voir l'article transcription
La première étape de la synthèse des protéines est la transcription d'un gène de l'ADN en une molécule d'ARN messager (ARNm ou acide ribonucléique messager). L'étape se déroule à l'intérieur même du noyau d'une cellule eucaryote et dans le cytoplasme des procaryotes. Cette différence va avoir des conséquences importantes sur le traitement de l'ARN synthétisé. L'ADN est une molécule constituée d'une succession de nucléotide, aucune particularité physique ne différencie un gène d'une portion non codante de l'organisme. Le repérage des gènes le long de la molécule d'ADN (et d'une manière générale toute information de régulation le long de la chaîne d d'ADN) va se faire de la même façon que celui du repérage des fichiers sur une bande magnétique : des marquages constituant en une séquence particuliere de nucléotique vont indiquer le début du gène. Ces marques spéciales sont appelée séquences consensus, il ne s'agit en effet pas de séquence exacte mais de séquences approchée d'une séquence moyenne mais en différant par quelques paires de bases. Les deux utilisées pour repérer le début d'un gène sont les boites CAAT et TATA, du nom des nucléotides formant le cœur de la séquence moyenne et sin située dans une zone précédant le gène appelée promoteur car elle initie la transcription du gène.
La transcription consiste à faire une copie de travail de l'ADN. L'ADN est une molécule unique dans l'organisme. Outre le fait que la synthèse d'un ARN intermédiaire permet de limiter les dommage de l'ADN par suite de trop de manipulation, cela permet de multiplier les copies disponible pour la phase de traduction et donc de synthétiser la protéine beaucoup plus rapidement.
La synthèse de l'ARN fait intervenir un ensemble protéique très complexe, la RNA synthétase. La première étape de la transcription est la reconnaissance du gène à transcrire. Cette étape fait intervenir des mécanismes variés qui dépendent de la protéine à transcrire, mais qui tous reposent sur le principe d'une protéine spécifique du ou des gène à transcrire, qui se fixe en un endroit précis de l'ADN, située dans le promoteur. Cette protéine va servir de point d'ancrage au système RNA synthétase, cette phase n'ayant lieu naturellement que si les deux boites CAAT et TATA sont présentes. Ce complexe va parcourir la molcéule d'ADN pour la lire. Elle va tout d'abord dérouler la molécule d'ADN, puis séparer les deux brins, puis assembler les bases azotées en se servant du brin complémentaire comme matrice pour aboutir à la molécule d'ARN. Derrière elle, les deux brins se réassemblent et l'ADN se réenroule. Quand la RNA synthétase rencontre le site de terminaison de gène, elle se sépare de l'ADN est l'ARN est libéré de la chaîne d'ADN.
Chez les procaryotes, l'ARN peut être utilisé directement. La traduction va d'ailleurs commencer avant même que la transcription soit achevée. Chez les eucaryotes en revanche, l'ARN n'est pas directement utilisable. Il doit subir une maturation. Les génes des eucaryotes ne sont pas des séquences d'ADN codantes continues du début à la fin du gène mais constituées de morceaux de séquences codantes (les exons) séparées par des zones non codantes (les introns). Pour obtenir une molécule d'ARN fonctionnelle, il faut donc tout d'abord enlever les introns et relier les exons les uns aux autres. Cette phase s'appele l'épissage et met en jeu des mécanismes encore peu clairs. On peut noter au passage que les cellules peuvent décider de ne garder que certains exons sur l'ensemble disponible, ce choix différant selon le type cellulaire au sein d'un même organisme. Un gène unique permet donc de synthétiser plusieurs protéines selon les exons conservés dans l'ARNm. Par ailleurs, l'ARN est précédé d'une coiffe moléculaire en position 5' et se termine par une queue polyadénylée ; ces modifications ont pour but de protéger l'ARN d'une dégradation trop rapide dans le cytoplasme. L'ARNm va maintenant pouvoir être exporté du noyau vers le cytoplasme via les pores nucléaires pour la phase suivante de la synthèse protéique : la traduction.
Voir l'article Traduction
Une fois que le brin d'ARNm a atteint le cytoplasme, où a lieu la traduction, il se fixe à un ribosome qui va assembler une séquence d'acides aminés selon les « instructions » du code génétique : chaque codon (groupe de 3 nucléotides de l'ARNm) correspond à un acide aminé, sauf 3 codons, appelés codons-stop, qui provoquent l'arrêt de la transcription. Il y a également un codon (AUG) qui peut tant coder le début de la transcription que l'acide aminé « méthionine ».
Le ribosome va parcourir le brin d'ARNm codon par codon et va par l'intermédiaire d'un ARN de transfert (ARNt) ajouter un acide aminé à la protéine en cours de fabrication selon le codon lu. Une fois le codon-stop atteint, la protéine est complète: le ribosome se détache de la protéine et du brin d'ARNm, et la protéine est libérée dans l'organisme.
Le même filament d'ARNm peut servir à la fabrication simultanée de plusieurs molécules de protéines, lorsque plusieurs ribosomes s'en chargent. Avant d'être détruite, cette molécule participe en effet à la fabrication de 10 à 20 protéines.
Dès que la chaîne d'acides aminés est terminée, elle se détache du ribosome qui est alors disponible pour une nouvelle synthèse. S'entame alors le transport des protéines, qui les mènent hors de la cellule et dans le système sanguin.
