Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_22 - Biologie

Objectifs d'apprentissage associés à Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_22

• Différencier et convertir entre les brins codants/non codants, modèles/non-modèles.
• Définir et expliquer la fonction et la structure d'un cadre de lecture ouvert (ORF).
• Créer un modèle pour une unité transcriptionnelle de base qui comprend des promoteurs, des sites de régulation transcriptionnelle pour la liaison du facteur de transcription, le site de liaison du ribosome, la région codante,arrêtercodons ettranscriptionnelterminateur.
• Utilisez le modèle d'une unité transcriptionnelle pour discuter des rôles de chacun des éléments structurels d'une unité transcriptionnelle. Identifiez ceux quisont transcrits, ceux qui peuventêtre traduitet ceux qui remplissent d'autres rôles.
• Utilisez une table de codons pour « traduire » une séquence d'ARN etpossiblevariantes de la séquence en une séquence protéique.
• Expliquer le code génétique signifie ce qu'êtredégénérer.
• Diagramme du processus de traduction. Le diagramme doit inclure les réactifs (y compris leARNmmodèle et leARNt), les produits, les enzymes et les sites sur leARNmmodèle requis pourTraductionavoir lieu.
• Dessinez une esquisse d'unaminoacyleARNtsynthétase, y compris son site actif et d'autres sites de l'enzyme qui se lient aux réactifs.
• Décrire les étapes de la réaction chimique responsable deARNtcharge et expose son histoire énergétique.
• Décrivez les étapes de la réaction chimique responsable de la synthèse des protéines et racontez son histoire énergétique. Ensuite, comparez cette histoire à celle que vous avez préparée pour la synthèse d'ADN et la synthèse d'ARN.
• Discutez de la façon dont la structure primaire d'une protéine influence sa destination cible dans la cellule pour les organismes eucaryotes et bactériens.

Synthèse des protéines

introduction

Le processus de Traduction en biologie est le décodage

message en un produit polypeptidique. En d'autres termes, un message écrit dans le langage chimique des nucléotides est "traduit" dans le langage chimique des acides aminés. Acides aminés

ensemble via des liaisons covalentes (appelées liaisons peptidiques) entre

et les terminaisons carboxyle des acides aminés adjacents. Le processus de décodage et de « liaison »

par un complexe ribonucléoprotéique appelé ribosomes et peut

chaînes d'acides aminés de longueurs allant de quelques dizaines à plus de 1000.

Les protéines résultantes sont si importantes pour la cellule que leur synthèse consomme plus d'énergie de la cellule que tout autre processus métabolique. Comme la réplication et la transcription de l'ADN, la traduction est un processus moléculaire complexe que nous pouvons aborder en utilisant à la fois les rubriques Energy Story et Design Challenge. La description du processus global, ou des étapes, nécessite la comptabilisation de la matière et de l'énergie avant le processus et après le processus et une description de la façon dont cette matière

et l'énergie transférée au cours du processus. Du point de vue du Design Challenge, nous pouvons - avant même d'approfondir ce qui est ou

sur la traduction - essayez d'inférer quelques questions de base auxquelles nous devrons répondre concernant ce processus.

Commençons par considérer le problème de base. Nous avons un brin d'ARN (appelé

) et un tas d'amino

et nous devons concevoir une machine qui d'une manière ou d'une autre :

(a) décoder le langage chimique des nucléotides en langage des acides aminés,
(b) joindre les acides aminés d'une manière très spécifique,
(c) terminer ce processus avec une précision raisonnable, et
(d) le faire à une vitesse raisonnable. Raisonnable

par sélection naturelle.

Comme précédemment, nous pouvons identifier des sous-problèmes.

(a) Comment notre machine moléculaire détermine-t-elle où et quand travailler ?
(b) Comment la machine moléculaire coordonne-t-elle le décodage et les formations de liaison ?
(c) D'où vient l'énergie nécessaire à ce processus et de quelle quantité ?
(d) Comment la machine sait-elle où s'arrêter ?

D'autres questions et problèmes/défis fonctionnels surgiront au fur et à mesure que nous approfondirons.

Le fait, comme toujours, est que même en ne connaissant pas les détails de la traduction, nous pouvons utiliser notre imagination, notre curiosité et notre bon sens pour imaginer certaines exigences du processus sur lesquelles nous devrons en apprendre davantage. Il est essentiel de comprendre ces questions comme le contexte de ce qui suit.

Une liaison peptidique relie l'extrémité carboxyle d'un acide aminé à l'extrémité aminée d'un autre, expulsant une molécule d'eau. Le R₁ et R₂ la désignation fait référence à la chaîne latérale des deux acides aminés.
Attribution:Marc T. Facciotti (œuvre originale).

Machines de synthèse de protéines

Les composants qui entrent dans le processus

De nombreuses molécules et macromolécules contribuent au processus de traduction. Alors que la composition exacte des « acteurs » dans le processus peut varier d'une espèce à l'autre - par exemple, les ribosomes peuvent comprendre des nombres différents de ARNr (ARN ribosomiques) et des polypeptides selon l'organisme - les fonctions générales de la machinerie de synthèse des protéines sont comparables des bactéries aux cellules humaines. Nous nous concentrons sur ces similitudes. Au minimum, la traduction nécessiteunARNmmodèle, acides aminés, ribosomes, ARNt, une source d'énergie, et diverses enzymes accessoires supplémentaires et petites molécules.

Rappel : Acides aminés

Rappelons que la structure de base des acides aminésconsiste enun squelette composé d'un groupe amino, un carbone central (appelé le??-carbone) et un groupe carboxyle. Attaché à??-Le carbone est un groupe variable qui aide à déterminer certaines propriétés chimiques et la réactivité de l'acide aminé.

Les 20 acides aminés communs.
Attribution:Marc T. Facciotti (propre travail)

Ribosomes

UNE ribosome est une macromolécule complexe composée d'éléments structurels et catalytiques

, et de nombreux polypeptides distincts. Alors que nous essayons de réfléchir à la comptabilité énergétique dans la cellule, nous remarquons que les ribosomes eux-mêmes ne sont pas « gratuits ». Même avant

, une cellule doit investir de l'énergie pour construire chacun de ses ribosomes. Dans E. coli, il y a entre 10 000 et 70 000 ribosomes présents dans chaque cellule.

Les ribosomes existent dans le cytoplasme des bactéries et des archées et dans le cytoplasme et sur le réticulum endoplasmique rugueux des eucaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leurs propres ribosomes dans la matrice et le stroma, qui ressemblent plus aux ribosomes bactériens (et ont des sensibilités médicamenteuses similaires), que les ribosomes juste à l'extérieur de leurs membranes externes dans le cytoplasme. Les ribosomes se dissocient en grandes et petites sous-unités lorsqu'ils ne synthétisent pas de protéines et se réassocient lors de l'initiation de la traduction. coli, nous décrivons la petite sous-unité comme 30S et la grande sous-unité comme 50S. Les ribosomes de mammifères ont une petite sous-unité 40S et une grande sous-unité 60S. La petite sous-unité lie le

modèle, tandis que la grande sous-unité se lie séquentiellement

. De nombreux ribosomes peuvent traduire simultanément un individu

molécule, chaque protéine synthétisant le ribosome dans le même sens : lecture de la

de 5' à 3' et synthétiser le polypeptide de l'extrémité N à l'extrémité C. Le complet

/structure poly-ribosome

une polysome.

ARNt

ARNt sont des molécules d'ARN structurales qui

à partir des gènes. Selon les espèces, 40 à 60 types de

existent dans le cytoplasme. Servir d'adaptateurs, spécifiques

lier à des séquences sur le

matrice et ajouter l'acide aminé correspondant à la chaîne polypeptidique. Par conséquent,

sont les molécules qui « traduisent » réellement le langage de l'ARN dans le langage des protéines.

Sur les 64 possibles

codons-ou des combinaisons de triplets de A, U, G et C, trois spécifient la fin de la synthèse des protéines et 61 spécifient l'ajout d'acides aminés à la chaîne polypeptidique. Parmi ces 61, un codon (AUG) code également l'initiation de la traduction. Chaque

anticodon peut baser une paire avec l'un des

codons et ajouter un acide aminé ou

traduction, selon le code génétique. Par exemple, si la séquence CUA s'est produite le

modèle dans le cadre de lecture approprié, cela lierait un

exprimant la séquence complémentaire, GAU, qui

à l'acide aminé leucine.

ARNt d'aminoacyleSynthétases

Le processus de pré-ARNtla synthèse par l'ARN polymérase III ne crée que la partie ARN de la molécule adaptatrice. L'acide aminé correspondant doitêtre ajoutéplus tard, une fois leARNtest traitéet exporté vers le cytoplasme. Par le processus deARNt« en charge », chacunARNtmoléculeest liéà son acide aminé correct par un groupe d'enzymes appelées ARNt aminoacylesynthétases. Au moins un type deARNt aminoacylela synthétase existe pour chacun des 20 acides aminés ;lesnombre exact deARNt aminoacylesynthétases varie selon les espèces. Ces enzymes se lient et hydrolysent d'abord l'ATP pourcatalyserune liaison à haute énergie entre un acide aminé et l'adénosine monophosphate (AMP);elles ou ilsexpulser une molécule de pyrophosphate dans cette réaction. L'acide aminé activéest ensuite transféréà laARNt, etL'AMP est libéré.

Le mécanisme de la synthèse des protéines

Comme dans la transcription, nous pouvons diviser la synthèse des protéines en trois phases : initiation, élongation et terminaison. Le processus de traduction est similaire chez les bactéries, les archées et les eucaryotes.

Initiation à la traduction

En général, les protéinesla synthèse commence par la formation d'un complexe d'initiation. La petite sous-unité ribosomique se liera à laARNmau site de liaison ribosomique. Peu de temps après, la méthionine-ARNtse liera au codon d'initiation AUG (par liaison complémentaire avec son anticodon). Ce complexeest alors jointpar la grande sous-unité ribosomique. Ce complexe d'initiation recrute alors le deuxièmeARNtetainsi la traduction commence.

Bactérienvseucaryoteinitiation

Dans E. coli

, une séquence en amont du premier codon AUG, appelée le Séquence Shine-Dalgarno (AGGAGG), interagit avec un

molécule. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S au bon endroit sur le

modèle. Arrêtez-vous un instant pour apprécier la répétition d'un mécanisme que vous avez déjà rencontré. Ici, obtenir un complexe protéique à associer - dans le bon registre - à un polymère d'acide nucléique

en alignant deux brins antiparallèles de nucléotides complémentaires l'un avec l'autre. Nous l'avons également vu dans la fonction de la télomérase.

Au lieu de se lier à la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît le 7-

capuchon à l'extrémité 5' du

. Une protéine de liaison à la coiffe (CBP) assiste le mouvement du ribosome vers la coiffe 5'. Arrivé au cap, le complexe d'initiation chemine le long de la

dans le sens 5' à 3', à la recherche du codon de départ AUG.

dès le premier août, mais ce n'est pas toujours le cas. Selon Les règles de Kozak, les nucléotides autour de l'AUG

s'il s'agit du bon codon de départ. Les règles de Kozak stipulent que la séquence consensus suivante doit apparaître autour de l'AUG des gènes des vertébrés : 5'-

-3'. Le R (pour purine)

un site qui peut être A ou G, mais ne peut pas être C ou U. Essentiellement, plus la séquence est proche de ce consensus, plus l'efficacité de la traduction est élevée.

Discussion possible au N.-B. Point

Comparez et opposez l'initiation de la traduction à celle de la transcription - en quoi ces processus sont-ils similaires et en quoi diffèrent-ils ?

Allongement de la traduction

Pendant l'allongement en translation, le

modèle fournit la spécificité. Au fur et à mesure que le ribosome se déplace le long de la

, chaque

le codon entre en « vue », et

. Si

n'étaient pas présents dans le complexe d'élongation, le ribosome se lierait

non spécifiquement. Notons encore l'utilisation de l'appariement de bases entre deux brins antiparallèles de nucléotides complémentaires pour amener et maintenir notre machine moléculaire en registre et dans ce cas également pour accomplir le travail de "traduction" entre le langage des nucléotides et des acides aminés.

La grande sous-unité ribosomique comprend trois compartiments :

le site lie les frais entrants

(

avec leurs acides aminés spécifiques attachés), le site P se lie chargé

portant des acides aminés qui ont formé des liaisons avec la chaîne polypeptidique en croissance mais ne se sont pas encore dissociés de leur correspondant

, et le site E qui libère des dissociés

pour qu'ils puissent

avec un autre acide aminé libre.

L'allongement se poursuit avecARNtentrerle Asite, puis passage au site P suivi du site E avec chaque « étape » à un seul codon du ribosome.Des étapes ribosomiques sont induitespar des changements de conformation qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3'. L'énergie pour chaque étape du ribosomeest donnépar un facteur d'allongement qui hydrolyse le GTP. Des liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l'acide aminé attaché àle A-placerARNtet le groupe carboxyle de l'acide aminé attaché au site PARNt. La formation de chaque liaison peptidiqueest catalysépar peptidyletransférase, une enzyme à base d'ARN quiest intégrédans la sous-unité ribosomique 50S.L'énergie pour chaque formation de liaison peptidique est dérivéede l'hydrolyse du GTP, quiest catalysépar un facteur d'allongement distinct. L'acide aminé lié au site PARNtest également liéà la chaîne polypeptidique en croissance. Alors que le ribosome traverse leARNm, l'ancien site PARNtpénètre dans le site E, se détache de l'acide aminé, etest expulsé. Le ribosome se déplace le long de laARNm, un codon à la fois,catalyserchaque processus qui se produit dans les trois sites. A chaque pas, une chargeARNtpénètre dans le complexe, le polypeptide devient plus long d'un acide aminé et unARNtpart. Étonnamment, ce processus se produit rapidement dans la cellule, le E. coli l'appareil de traduction ne prend que 0,05 seconde pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu'un polypeptide de 200 acides aminés pourraitêtre traduiten seulement 10 secondes.

Discussion possible au N.-B. Point

La tétracycline est un antibiotique figurant sur la liste des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé. Il atténue les infections en bloquant le site A sur le ribosome bactérien. Un autre antibiotique, le chloramphénicol, bloque le transfert de peptidyle. Décrivez les effets immédiats et à long terme de ces deux antibiotiques. À quelles autres stratégies pouvez-vous penser pour combattre l'infection spécifiquement au niveau de la traduction ?

Le code génétique

Pour résumer ce que nous savons à ce stade, le processus cellulaire de transcription génère de l'ARN messager (

), une copie moléculaire mobile d'un ou plusieurs gènes avec un alphabet de A, C, G et uracile (U). Traduction du

modèle convertit l'information génétique basée sur les nucléotides en un produit protéique. Séquences de protéines

20 acides aminés courants ; par conséquent, nous pouvons dire que l'alphabet des protéines

20 lettres. Nous définissons chaque acide aminé par une séquence de trois nucléotides appelée le triplet codons. La relation entre un codon nucléotidique et son acide aminé correspondant

les code génétique. Étant donné le nombre différent de « lettres » dans le

et les « alphabets » protéiques signifient qu'il y a

64 (4 × 4 × 4)

codons; par conséquent, un acide aminé (20 au total) doit

pour par

un codon.

Trois des 64 codons

synthèse des protéines et libère le polypeptide de la machinerie de traduction. Ces triplés

codons d'arrêt. Un autre codon, AUG, a également une fonction spéciale.

spécifiant l'acide aminé méthionine, il sert également de démarrer le codon à

Traduction.

par le codon de départ AUG près de l'extrémité 5' du

. Le code génétique est universel. À quelques exceptions près, pratiquement toutes les espèces utilisent le même code génétique pour la synthèse des protéines, ce qui est une preuve puissante que toute la vie sur Terre partage une origine commune.

Redondant, pas ambigu

Les informations contenues dans le code génétique sont redondantes. Plusieurs codons codent pour le même acide aminé. Par exemple, en utilisant le tableau ci-dessus, vous pouvez trouver 4 codons différents qui codent pour Valine, de même, il y a deux codons qui codent pour Leucine, etc. Mais le code n'est pas ambigu, ce qui signifie que sion vous a donnéunecodonsvous sauriez définitivement pour quel acide aminé il code, un codon ne codera que pour un acide aminé spécifique. Par exemple, GUU codera toujours pour la valine et AUG codera toujours pour la méthionine. C'est important,Tu vas être interrogétraduireunARNmen une protéine à l'aide d'un tableau de codons comme celui illustré ci-dessus.

Fin de la traduction

La terminaison de la traduction se produit lorsqu'un codon d'arrêt (UAA, UAG ou UGA)est rencontré. Lorsque le ribosome rencontre l'arrêtcodonsnonARNtentre dansle Aplacer. Au lieu de cela, une protéine connue sous le nom de facteur de libération se lie au complexe.Cette interaction déstabilise la machinerie de traduction, provoquant la libération du polypeptide et la dissociation des sous-unités du ribosome de laARNm. Une fois que de nombreux ribosomes ont terminé la traduction, leARNmest dégradédoncles nucléotides peuvent être réutilisésdans une autre réaction de transcription.

Couplage entre transcription et traduction

Comme discuté précédemment, les bactéries et les archées n'ont pas besoin de transporter leurs transcrits d'ARN entre une membrane liéenoyauet le cytoplasme. L'ARN polymérase transcrit donc l'ARN directement dans le cytoplasme. Ici, les ribosomes peuvent se lier à l'ARN et commencer le processus de traduction, parfois pendant que la transcription est encore en cours. Le couplage de ces deux processus, et mêmeARNmdégradation,est faciliténon seulement parce que la transcription et la traduction se produisent dans le même compartiment, mais aussi parce que les deux processus se déroulent dans la même direction - la synthèse du transcrit d'ARN se produit dans le sens 5' à 3' et la traduction lit le transcrit dans le sens 5' à 3' direction. Ce "couplage" de la transcription avec la traduction se produit à la fois chez les bactéries et les archées et est, en fait, parfois essentiel pour une expression génique correcte.

Tri des protéines

Dans

un défi de conception de synthèse de protéines, nous pouvons également soulever la question/le problème de la façon dont les protéines arrivent là où elles

aller. Nous savons que certaines protéines

pour la membrane plasmique, d'autres dans les cellules eucaryotes doivent

à divers organites, certaines protéines, comme les hormones ou les protéines piégeant les nutriments,

être sécrétée par les cellules tandis que d'autres peuvent avoir besoin de

à des parties du cytosol pour remplir des rôles structurels. Comment cela peut-il arriver?

Puisque nous avons découvert divers mécanismes, les détails de ce processus

dans un bref paragraphe ou deux. Cependant, nous pouvons mentionner quelques éléments clés communs à tous les mécanismes. Premièrement, le besoin d'une "étiquette" spécifique qui peut fournir des informations moléculaires sur l'endroit où la protéine d'intérêt

pour. Cette étiquette prend généralement la forme d'une courte chaîne d'acides aminés - un soi-disant peptide signal - qui peut coder des informations sur l'endroit où la protéine devrait se retrouver. Le deuxième composant requis de la machinerie de tri des protéines doit être un système pour lire et trier les protéines. Dans les systèmes bactériens et archéens, cela

protéines qui peuvent identifier le peptide signal pendant la traduction, s'y lier et diriger la synthèse de la protéine naissante vers la membrane plasmique. Dans les systèmes eucaryotes, le tri est nécessairement plus complexe et implique un ensemble assez élaboré de mécanismes de reconnaissance de signaux, de modification de protéines et de trafic de vésicules entre les organites ou la membrane. Ces étapes biochimiques

dans le réticulum endoplasmique et encore "raffiné" dans l'appareil de Golgi où les protéines

et conditionnés dans des vésicules liées à diverses parties de la cellule.

. La clé pour tous les étudiants c'est donc d'apprécier le problème et d'avoir une idée générale des exigences de haut niveau que les cellules ont adoptées pour les résoudre.

Post-traductionnelModification des protéines

AprèsTraductionles acides aminés individuels peuventêtre modifié chimiquement. Ces modifications ajoutent une variation chimique et de nouvelles propriétés quisont enracinésdans les chimies des groupes fonctionnels qui sont ajoutés. Les modifications courantes incluent les groupes phosphate,méthyle,acétate, etamidegroupes. Certaines protéines, généralement ciblées sur les membranes, serontlipidée-un lipide sera ajouté. D'autres protéines serontêtre glycosylé- un sucre vaêtre ajouté. Une autre modification post-traductionnelle courante estclivageou la liaison de parties de la protéine elle-même. Les peptides-signaux peuventêtre clivé, les pièces peuventêtre excisédu milieu de la protéine, oude nouvelles liaisons covalentes peuvent être faitesentre la cystéine ou d'autres chaînes latérales d'acides aminés. Les enzymes vontcatalyserpresque toutes les modifications et tous les changements modifient le comportement fonctionnel de la protéine.

Résumé de la section

ARNmest utilisé pour synthétiser des protéines par le processus de traduction. Le code génétique est la correspondance entre les trois nucléotidesARNmcodon et un acide aminé. Le code génétique est « traduit » par leARNtmolécules, qui associent un codon spécifique à un acide aminé spécifique. Le code génétique estdégénérerparce que 64 codons triplets dansARNmspécifiez seulement 20 acides aminés et trois codons d'arrêt. Cela signifie queplus queun codon correspond à un acide aminé. Presque toutes les espèces de la planète utilisent le même code génétique.

Les acteurs de la traduction comprennent lesARNmmodèle, ribosomes,ARNt, et divers facteurs enzymatiques. La petite sous-unité ribosomique se lie à laARNmmodèle. La traduction commence au début du mois d'août leARNm. La formation de liaisons se produit entre les acides aminés séquentiels spécifiés par leARNmmodèle selon le code génétique. Le ribosome accepte chargéARNt, et alors qu'il marche le long de laARNm, il catalyse la liaison entre le nouvel acide aminé et la fin du polypeptide en croissance.L'ensembleARNmest traduiten « étapes » de trois nucléotides du ribosome. Quand un codon stopest rencontré, un facteur de libération lie et dissocie les composants et libère la nouvelle protéine.