Traduction ADN

Les protéines sont des molécules complexes composées de monomères d'acides aminés. Elles sont présentes dans toutes les formes de vie et remplissent des fonctions essentielles telles que la fourniture d'un support structurel, le rôle d'enzymes qui catalysent les réactions biologiques et la régulation des signaux métaboliques provenant de l'extérieur de la cellule. Étant donné l'abondance et l'importance des protéines, on peut se demander comment elles sont fabriquées.

Dans ce résumé de cours, nous aborderons le processus de synthèse des protéines connu sous le nom de traduction génétique, en expliquant d'abord ce que sont les ARNm, ARNt et les ribosomes, fondamentaux dans ce processus.

ARN messager (ARNm)

L'ARN ou acide ribonucléique, est un type d'acide nucléique qui joue un rôle important dans la synthèse des protéines. L'ARN est constitué d'une chaîne de nucléotides reliés entre eux par des liaisons phosphodiester et pliés en structures tridimensionnelles complexes. Il existe plusieurs types de molécules d'ARN, notamment l'ARN messager (ARNm), l'ARN de transfert (ARNt) et l'ARN ribosomal (ARNr).

Les molécules d'ARNm sont les principaux acteurs de la synthèse des protéines. Pendant la synthèse des protéines, les molécules d'ARNm sont d'abord traduites en séquences d'acides aminés qui forment les protéines. La structure de l'ARNm est très similaire à celle de l'ADN, sauf qu'il contient un sucre ribose à la place du désoxyribose et le nucléotide uracile (U) à la place de la thymine (T).

ARN de transfert (ARNt)

L'ARN de transfert joue aussi un rôle essentiel dans la synthèse des protéines en se liant à des acides aminés spécifiques et en les livrant aux ribosomes pour qu'ils soient incorporés dans de nouvelles protéines. Il sert de pont entre l'ARN messager (ARNm) et les séquences d'acides aminés des protéines. De cette façon, l'ARNt sert de composant vital du code génétique en transportant et en traduisant les instructions de l'ADN en acides aminés pendant la synthèse des protéines.

Ribosomes

Les ribosomes sont les organites cellulaires qui sont responsables de la synthèse des protéines dans tous les organismes vivants. Ils se composent de deux sous-unités, appelées petite et grande sous unité, qui s'associent pour former un ribosome fonctionnel. La structure du ribosome est assez complexe, chaque sous-unité contenant plusieurs molécules d'ARN et protéines.

Le rôle principal des ribosomes est de faciliter le processus de traduction, qui est la synthèse des protéines sur la base des informations contenues dans les molécules d'ARNm. Cela implique de lire le code génétique qui est porté par l'ARNm et de l'utiliser pour décoder des acides aminés spécifiques, qui sont ensuite assemblés en protéines. La synthèse de chaque protéine nécessite plusieurs ribosomes travaillant en coordination, et une fois que la protéine a été synthétisée, elle est libérée du ribosome.

La traduction génétique

En biologie, la traduction est la deuxième étape de l'expression des gènes et de la synthèse des protéines, telle que décrite par le « dogme central ». Le dogme central stipule que l'information génétique passe de l'ADN à l'ARNm, puis de l'ARNm à la protéine.

La matrice d'ARNm est une copie de la séquence nucléotidique d'un gène écrite dans l'ARN pendant la transcription. L'information génétique contenue dans la séquence nucléotidique de l'ARNm est traduite en séquences protéiques composées de 20 acides aminés différents. Ces acides aminés sont représentés par des lettres, qui constituent l'alphabet des protéines.

Pendant la traduction, la séquence de nucléotides de l'ARNm est lue sous forme de « mots » composés de trois nucléotides, d'une extrémité à l'autre de l'ARNm. Ces mots de trois lettres sont connus sous le nom de codons (ou codons triplets).

Fig. 1 - Les séquences d'ARN sont composées de triplets de codons, chacun codant pour un acide aminé spécifique

Les acides aminés ont une chimie (par exemple, acidité, polarité, etc.) et une structure (hélices, zigzags et autres formes) variables. Les variations des acides aminés dans les séquences de protéines entraînent des variations dans la fonction et la structure des protéines. Les acides aminés d'une séquence protéique confèrent à la protéine ses propriétés uniques. Par exemple, si la protéine musculaire et la protéine du cheveu ont toutes deux 20 acides aminés, les séquences de ces protéines diffèrent.

Le processus de traduction génétique

La traduction a lieu dans les ribosomes — les structures qui servent de site de synthèse des protéines dans la cellule. Lorsqu'ils n'effectuent pas la synthèse des protéines, les ribosomes se dissocient en grandes et petites sous-unités ribosomales.

• La petite sous-unité ribosomale se lie à la matrice de l'ARNm.
• La grande sous-unité ribosomale lie les ARN de transfert (ARNt).

Le processus de traduction se déroule en trois étapes générales : initiation, élongation et terminaison.

Première étape de la traduction génétique : initiation

La traduction commence par l'assemblage des ribosomes, ce qui conduit à la formation du complexe d'initiation. La formation du complexe d'initiation se déroule comme suit :

1. la petite sous-unité ribosomale se lie à la molécule d'ARNt initiatrice (ARNti), qui contient l'acide aminé méthionine chez les archées et les eucaryotes, et à la N-Formylméthionine chez les bactéries. L'ARNt initiateur est « chargé », car il porte un acide aminé ;
2. la petite sous-unité ribosomique liée à l'ARNt chargé se déplace sur le brin d'ARNm jusqu'au codon de départ « AUG », qui signifie le début de la traduction. L'AUG marque également le début du cadre de lecture (la séquence de bases nucléotidiques de l'ARNm qui code les polypeptides) ;
3. l'anticodon de l'ARNt se lie au codon d'initiation par appariement de bases. L'anticodon est un codon dans l'ARNt qui est complémentaire à un codon dans l'ARNm ;
4. la petite sous-unité ribosomique, l'ARNm et les ARNt chargés se lient à la grande sous-unité ribosomique. Cela forme le complexe d'initiation. Des protéines appelées facteurs d'initiation rassemblent ces composants. La cellule utilise de l'énergie sous forme de guanosine triphosphate (GTP) pour alimenter le processus.

Deuxième étape de la traduction génétique : élongation

Pendant l'élongation, le ribosome continue à traduire les codons et à ajouter des acides aminés, ce qui allonge encore la chaîne d'acides aminés. Le ribosome est constitué de trois compartiments :

1. Site A (aminoacyle)
2. Site P (peptidyle)
3. Site E (sortie)

Le site A est le site de liaison de l'ARNt, tandis que le site P est le site de liaison de la chaîne polypeptidique. L'ARNt qui porte la méthionine se lie au site P, tandis que l'ARNt suivant qui porte l'aminoacyle se lie au site A en appariant le codon suivant dans l'ARNm. Un facteur d'élongation escorte l'ARNt aminoacyle jusqu'au ribosome.

Le ribosome transfère trois nucléotides le long du brin d'ARNm, plaçant le codon suivant dans le site A libre. Ce processus est appelé translocation, car il transfère l'ARNt peptidyle du site A au site P, tout en déplaçant l'ARNt dissocié du site P au site E.

Cela laisse le ribosome avec un ARNt peptidyle sur le site P et un site A libre. Un nouvel ARNt aminoacyle se lie au site A, ce qui entraîne la libération de l'ARNt dissocié du site E. Le ribosome est alors prêt pour l'insertion de l'acide aminé suivant dans la chaîne polypeptidique. En se déplaçant le long du brin d'ARNm, le ribosome continue d'enregistrer chaque codon, ajoutant à la chaîne l'anticodon d'ARNt chargé correspondant.

Troisième étape de la traduction génétique : la terminaison

La traduction se termine pendant l'étape de terminaison. La terminaison a lieu lorsqu'un codon non-sens ou stop (UAA, UAG, ou UGA) entre dans le site A. Les facteurs de libération reconnaissent ces codons non-sens et signalent l'hydrolyse de la liaison entre l'ARNt et la chaîne polypeptidique du site P. Cela libère la protéine nouvellement fabriquée, qui doit être repliée pour fonctionner.

Les petites et grandes sous-unités ribosomiques se détachent ensuite les unes des autres et de l'ARNm avant de prendre part à un autre complexe d'initiation de la traduction. Lorsque les ribosomes terminent la traduction, l'ARNm est dégradé afin que ses nucléotides puissent participer à une autre réaction de transcription.

Le processus de traduction génétique est simplifié et visualisé dans le schéma suivant (Figure 2) :

Fig. 2 - Schéma du processus de traduction génétique

Synthèse des protéines

Plus que tout autre composant, à l'exception de l'eau, les protéines constituent la majeure partie de la masse des organismes vivants, car elles assurent presque toutes les fonctions de la cellule. La traduction remplit la fonction importante de synthétiser les protéines à partir de l'ARNm.

Que se passe-t-il lorsque des erreurs sont commises pendant la traduction ?

La traduction est l'étape la plus sujette aux erreurs lors de la synthèse des protéines. À titre d'exemple, on estime qu'une mauvaise incorporation d'acides aminés au cours de la traduction a lieu pour 1 000 à 10 000 codons traduits. Cela signifie que 15 % des molécules de protéines de longueur moyenne auront au moins un acide aminé mal incorporé.

Ces erreurs peuvent conduire à un mauvais repliement des protéines, à leur agrégation (où les protéines mal repliées sont assemblées et stockées), voire à la mort cellulaire. En fait, un large éventail de maladies neurodégénératives, dont la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington, sont attribuées à un mauvais repliement des protéines. D'autre part, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique (SLA) sont liées à une mauvaise incorporation d'acides aminés pendant la traduction, causée par des mutations du code génétique.