Ce que vous apprendrez à faire: Résumez le processus de traduction

Prenez un moment pour regarder vos mains. L’os, la peau et le muscle que vous voyez sont constitués de cellules. Et chacune de ces cellules contient plusieurs millions de protéines En fait, les protéines sont des « blocs de construction » moléculaires clés pour chaque organisme sur Terre!

Comment ces protéines sont-elles fabriquées dans une cellule ? Pour commencer, les instructions de fabrication des protéines sont « écrites » dans l’ADN d’une cellule sous forme de gènes. Fondamentalement, un gène est utilisé pour construire une protéine dans un processus en deux étapes:

• Étape 1: Transcription (que nous venons d’apprendre)! Ici, la séquence d’ADN d’un gène est « réécrite » sous forme d’ARN. Chez les eucaryotes comme vous et moi, l’ARN est traité (et en contient souvent quelques morceaux) pour en faire le produit final, appelé ARN messager ou ARNm.
• Étape 2 : Traduction ! Dans cette étape, l’ARNm est « décodé » pour construire une protéine (ou un morceau / sous-unité d’une protéine) qui contient une série spécifique d’acides aminés.

Exigences pour la traduction

Figure 1. Une liaison peptidique relie l’extrémité carboxylique d’un acide aminé à l’extrémité aminée d’un autre, expulsant une molécule d’eau. Pour simplifier cette image, seuls les groupes fonctionnels impliqués dans la liaison peptidique sont représentés. Les désignations R et R ‘ se réfèrent au reste de chaque structure d’acides aminés.

Le processus de traduction, ou synthèse protéique, implique le décodage d’un message d’ARNm en un produit polypeptidique. Les acides aminés sont liés de manière covalente par des liaisons peptidiques interconnectées. Chaque acide aminé individuel a un groupe amino (NH2) et un groupe carboxyle (COOH). Les polypeptides sont formés lorsque le groupe amino d’un acide aminé forme une liaison amide (c’est-à-dire un peptide) avec le groupe carboxyle d’un autre acide aminé (figure 1).

Cette réaction est catalysée par des ribosomes et génère une molécule d’eau.

La Machinerie de synthèse des protéines

En plus du gabarit de l’ARNm, de nombreuses molécules et macromolécules contribuent au processus de traduction. La traduction nécessite l’entrée d’un modèle d’ARNm, de ribosomes, d’ARNT et de divers facteurs enzymatiques.

Ribosomes

Un ribosome est une macromolécule complexe composée d’ARNR structuraux et catalytiques et de nombreux polypeptides distincts. Les ribosomes existent dans le cytoplasme chez les procaryotes et dans le cytoplasme et le réticulum endoplasmique rugueux chez les eucaryotes. Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités. Chez E. coli, la petite sous-unité est décrite comme 30S, et la grande sous-unité est 50S, pour un total de 70S. Les ribosomes de mammifères ont une petite sous-unité de 40S et une grande sous-unité de 60S, pour un total de 80S. La petite sous-unité est responsable de la liaison du modèle d’ARNm, tandis que la grande sous-unité lie séquentiellement les ARNT.

ARNT

Les ARNT sont des molécules d’ARN structurales qui ont été transcrites à partir de gènes par l’ARN polymérase III. Servant d’adaptateurs, des ARNT spécifiques se lient à des séquences sur le modèle d’ARNm et ajoutent l’acide aminé correspondant à la chaîne polypeptidique. Par conséquent, les ARNT sont les molécules qui « traduisent » réellement le langage de l’ARN en langage des protéines.

Figure 2. L’ARNt de la phénylalanine

Des 64 codons d’ARNm possibles — ou des combinaisons 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) également connu sous le nom de « codon de démarrage » code l’initiation de la traduction. Chaque anticodon d’ARNt peut s’associer à l’un des codons d’ARNm et ajouter un acide aminé ou terminer la traduction, selon le code génétique. Par exemple, si la séquence CUA se produisait sur un modèle d’ARNm dans le cadre de lecture approprié, elle lierait un ARNt exprimant la séquence complémentaire, GAU, qui serait liée à l’acide aminé leucine.

Les ARNT matures prennent une structure tridimensionnelle par liaison hydrogène intramoléculaire pour positionner le site de liaison des acides aminés à une extrémité et l’anticodon à l’autre extrémité (Figure 2).L’anticodon est une séquence à trois nucléotides dans un ARNt qui interagit avec un codon d’ARNm par appariement de bases complémentaires.

Les ARNT doivent interagir avec trois facteurs:

1. Ils doivent être reconnus par la bonne aminoacyl synthétase.
2. Ils doivent être reconnus par les ribosomes.
3. Ils doivent se lier à la séquence correcte dans l’ARNm.

Aminoacyl ARNt Synthétases

Par le processus de « charge » de l’ARNt, chaque molécule d’ARNt est liée à son acide aminé correct par un groupe d’enzymes appelées aminoacyl ARNt synthétases. Il existe au moins un type d’aminoacyl ARNt synthétase pour chacun des 20 acides aminés.

Code génétique

Compte tenu des différents nombres de « lettres » dans les « alphabets » d’ARNm et de protéines, les scientifiques ont théorisé que les combinaisons de nucléotides correspondaient à des acides aminés simples. Les scientifiques ont théorisé que les acides aminés étaient codés par des triplets nucléotidiques et que le code génétique était dégénéré. En d’autres termes, un acide aminé donné pourrait être codé par plus d’un triplet nucléotidique. Ces triplets nucléotidiques sont appelés codons. Les scientifiques ont minutieusement résolu le code génétique en traduisant les ARNM synthétiques in vitro et en séquençant les protéines qu’ils ont spécifiées (figure 3).

Figure 3. Cette figure montre le code génétique permettant de traduire chaque triplet nucléotidique dans l’ARNm en un acide aminé ou un signal de terminaison dans une protéine naissante. (crédit: modification des travaux par NIH)

En plus d’instruire l’addition d’un acide aminé spécifique à une chaîne polypeptidique, trois (UAA, UAG, UGA) des 64 codons terminent la synthèse des protéines et libèrent le polypeptide de la machinerie de traduction. Ces triplets sont appelés codons non-sens, ou codons d’arrêt. Un autre codon, AUG, a également une fonction spéciale. En plus de spécifier l’acide aminé méthionine, il sert également de codon de départ pour initier la traduction. Le cadre de lecture pour la traduction est défini par le codon AUG start près de l’extrémité 5′ de l’ARNm.

Le code génétique est universel. À quelques exceptions près, pratiquement toutes les espèces utilisent le même code génétique pour la synthèse des protéines. La conservation des codons signifie qu’un ARNm purifié codant pour la protéine globine chez les chevaux pourrait être transféré dans une cellule de tulipe, et la tulipe synthétiserait la globine de cheval. Qu’il n’y ait qu’un seul code génétique est une preuve puissante que toute la vie sur Terre partage une origine commune, d’autant plus qu’il existe environ 1084 combinaisons possibles de 20 acides aminés et de 64 codons triplets.

On pense que la dégénérescence est un mécanisme cellulaire permettant de réduire l’impact négatif des mutations aléatoires. Les codons qui spécifient le même acide aminé ne diffèrent généralement que par un nucléotide. De plus, les acides aminés avec des chaînes latérales chimiquement similaires sont codés par des codons similaires. Cette nuance du code génétique garantit qu’une mutation de substitution à un nucléotide peut soit spécifier le même acide aminé mais n’avoir aucun effet, soit spécifier un acide aminé similaire, empêchant la protéine d’être complètement non fonctionnelle.

Étapes de la traduction

Comme pour la synthèse de l’ARNm, la synthèse des protéines peut être divisée en trois phases: initiation, allongement et terminaison. Le processus de traduction est similaire chez les procaryotes et les eucaryotes. Nous explorerons ici comment la traduction se produit chez E. coli, un procaryote représentatif, et préciserons les différences entre la traduction procaryote et eucaryote.

Initiation de la traduction

La synthèse protéique commence par la formation d’un complexe d’initiation. Dans E. coli, ce complexe implique le petit ribosome 30S, le modèle d’ARNm, des facteurs d’initiation et un ARNt initiateur spécial. L’ARNt initiateur interagit avec le codon de départ AUG. La guanosine triphosphate (GTP), qui est un nucléotide triphosphate de purine, agit comme source d’énergie pendant la traduction — à la fois au début de l’élongation et pendant la translocation du ribosome.

Une fois l’AUG approprié identifié, la sous-unité 50S se lie au complexe de Met-tRNAi, d’ARNm et de la sous-unité 30S. Cette étape complète l’initiation de la traduction.

Élongation de la traduction

La sous-unité ribosomique 50S d’E. coli se compose de trois compartiments: le site A (aminoacyle) lie les ARNT aminoacyle chargés entrants. Le site P (peptidyle) lie des ARNt chargés portant des acides aminés qui ont formé des liaisons peptidiques avec la chaîne polypeptidique en croissance mais qui ne se sont pas encore dissociés de leur ARNt correspondant. Le site E (exit) libère des ARNT dissociés afin qu’ils puissent être rechargés en acides aminés libres. cela crée un complexe d’initiation avec un site A gratuit prêt à accepter l’ARNt correspondant au premier codon après l’AOÛT.

Figure 4. Traduction de l’ARNm du ribosome

Pendant l’allongement de la traduction, le modèle d’ARNm fournit une spécificité. Lorsque le ribosome se déplace le long de l’ARNm, chaque codon d’ARNm entre en registre et une liaison spécifique avec l’anticodon d’ARNt chargé correspondant est assurée. Si l’ARNM n’était pas présent dans le complexe d’élongation, le ribosome se lierait de manière non spécifique aux ARNT.

L’élongation se poursuit avec des ARNT chargés entrant dans le site A, puis se déplaçant vers le site P suivi du site E à chaque « étape » de codon unique du ribosome. Les étapes ribosomiques sont induites par des changements conformationnels qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3 ‘. L’énergie pour chaque étape du ribosome est donnée par un facteur d’allongement qui hydrolyse le GTP. Des liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l’acide aminé attaché à l’ARNt du site A et le groupe carboxyle de l’acide aminé attaché à l’ARNt du site P. La formation de chaque liaison peptidique est catalysée par la peptidyl transférase, une enzyme à base d’ARN intégrée dans la sous-unité ribosomique 50S. L’énergie pour chaque formation de liaison peptidique est dérivée de l’hydrolyse du GTP, qui est catalysée par un facteur d’élongation distinct. L’acide aminé lié à l’ARNt du site P est également lié à la chaîne polypeptidique en croissance. Lorsque le ribosome traverse l’ARNm, l’ancien ARNt du site P pénètre dans le site E, se détache de l’acide aminé et est expulsé (figure 5). Étonnamment, l’appareil de traduction d’E. coli ne prend que 0.05 secondes pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu’une protéine de 200 acides aminés peut être traduite en seulement 10 secondes.

Figure 5. La traduction commence lorsqu’un anticodon d’ARNt initiateur reconnaît un codon sur l’ARNm. La grande sous-unité ribosomique rejoint la petite sous-unité et un deuxième ARNt est recruté. Lorsque l’ARNm se déplace par rapport au ribosome, la chaîne polypeptidique se forme. L’entrée d’un facteur de libération dans le site A met fin à la traduction et les composants se dissocient.

Terminaison de la traduction

La terminaison de la traduction se produit lorsqu’un codon non-sens (UAA, UAG ou UGA) est rencontré. En s’alignant sur le site A, ces codons absurdes sont reconnus par des facteurs de libération chez les procaryotes et les eucaryotes qui demandent à la peptidyl transférase d’ajouter une molécule d’eau à l’extrémité carboxylique de l’acide aminé du site P. Cette réaction force l’acide aminé du site P à se détacher de son ARNt et la protéine nouvellement fabriquée est libérée. Les petites et les grandes sous-unités ribosomiques se dissocient de l’ARNm et l’une de l’autre; elles sont recrutées presque immédiatement dans un autre complexe d’initiation de la traduction. Après que de nombreux ribosomes ont terminé la traduction, l’ARNm est dégradé de sorte que les nucléotides peuvent être réutilisés dans une autre réaction de transcription.

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