Introduction aux protéines








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Introduction aux protéines



Les protéines sont les éléments qui font fonctionner les êtres vivants. Elles occupent plusieurs fonctions à différents niveaux. Elles assurent la survie de chacune des cellules du corps, mais sont également responsables de l'organisation et du fonctionnement des millions de cellules qui constituent l'organisme.

Les protéines occupent plusieurs fonctions dans l'organisme: elles ont un rôle structural et un rôle de soutien; elles transportent des substances; elles ont un rôle de régulation hormonale; elles ont un rôle dans la réception de signaux extracellulaires; elles servent à mouvoir, créer du mouvement; elles ont un rôle immunitaire; elles mettent en réserve les acides aminés. Cependant, leur fonction la plus importante est de catalyser des réactions. On dit de toute protéine capable de catalyser une réaction qu'elle est un enzyme. Comment les protéines peuvent-elles accomplir tant de choses? C'est grâce à leurs structures particulières. Bien que leurs fonctions et leurs structures tridimensionnelles varient énormément, les protéines sont constituées à partir d'une même unité primaire : les acides aminés.

Les acides aminés sont des molécules portant un groupement carboxyle (COOH) un groupement amine (NH2) ainsi qu'un groupement latéral qui varie selon chaque acide aminé. En tout, le corps humain utilise vingt acides aminés pour construire les protéines dont il a besoin. Les acides aminés s'unissent entre eux selon un ordre précis pour former la structure primaire de la protéine. Pour ce faire, deux acides aminés forment une liaison peptidique par condensation en reliant le groupement carboxyle de l'un avec le groupement amine de l'autre.

L'ordre d'enchaînement des acides nucléiques détermine la structure primaire des polypeptides. De plus, certains segments de cette structure primaire se replient sur eux-mêmes de manière répétitive en formant des motifs. Cette conformation que l'on appelle la structure secondaire est due à des liaisons hydrogènes situé à intervalles réguliers le long de la protéine. On retrouve deux principaux motifs : les hélices alpha () et les feuillets bêta (). Les protéines possèdent également une structure tertiaire, due aux interactions entre deux acides aminés distants, et une structure quaternaire, formée par la combinaison de plusieurs unités protéiques semblables.


Hélice alpha

Feuillet bêta

Ce sont donc les différentes structures des protéines qui déterminent sa fonction et par conséquent son implication dans la cellule. Puisque ces structures découlent de la structure primaire, on peut se demander ce qui la détermine.


Introduction aux acides nucléiques



En fait, c'est l'ADN, ou acide désoxyribonucléique, qui est responsable de la structure des protéines. Il fait partie, avec l'ARN, de la famille des acides nucléiques. L'ADN doit également transmettre le message génétique à la progéniture de l'organisme et aux générations successives de cellules qui proviennent de cette cellule souche. L'ADN est donc le support de l'hérédité et il possède toutes les informations nécessaires pour que la cellule accomplisse ses fonctions. L'ARN, quant à lui, sert d'intermédiaire entre l'ADN et la protéine. Alors que l'on retrouve l'ADN principalement sous forme bicaténaire (double brin), on observe l'ARN seulement sous forme monocaténaire (simple brin).


ADN forme A


ADN forme B


ADN forme Z

La structure des acides nucléiques est également constituée d'une unité principale nommée le nucléotide. Le nucléotide est lui-même constitué de trois parties: une base azotée liée à un pentose qui est lui-même lié à un groupement phosphate. On retrouve cinq bases azotées : la cytosine (C) et la guanine (G) sont reliées entre elles grâce à trois liaisons hydrogène; la thymine (T) et l'adénine (A) le sont par deux liaisons hydrogène. L'uracile (U) remplace la thymine dans l'ARN. Grâce à ce système de liaisons hydrogène, il n'y a aucun mélange et les couples A-T et G-C restent toujours complémentaires. De plus, on retrouve deux sortes de pentoses utilisées pour former les acides nucléiques: la ribose, dans l'ARN, et la désoxyribose, qui possède un oxygène en moins, dans l'ADN. L'ADN adopte la structure d'une double hélice. Cette double hélice apparaît sous trois formes. Lorsque l'humidité est faible et que la salinité est forte, l'ADN se présente sous la forme A. À l'autre extrême, lorsque l'humidité est forte et que la salinité est faible,, l'ADN adopte la forme B, qui est la plus commune. On a également trouvé une troisième forme, la forme Z, dont les hélices tournent vers la gauche, que l'on retrouve en présence de la séquence CGCGCG. Cependant, comment ce long filament de bases azotées, de pentoses et de groupement phosphate détermine-t-il la structure primaire d'une protéine? C'est en fait l'ordre d'enchaînement des bases azotées qui dictent l'ordre d'enchaînement des acides aminés. Pour ce faire, trois bases azotées sont traduites en un acide aminé selon un code précis: le code génétique. Puisque que le nombre de combinaisons possibles de bases azotées est de soixante et que le nombre d'acides aminés est de vingt, le code génétique est redondant, ce qui lui assure une plus grande stabilité face aux mutations.

NOTION DE GENE ET TRANSMISSION DE L'INFORMATION

Le premier chercheur ayant utilisé de véritables techniques génétiques fut Gregor Mendel vers1856 et le résultat est remarquable (sinon remarqué àl'époque) puisqu'il proposa une "théorie particulaire del'hérédité" pleinement confirmée par ladémonstration récente selon laquelle l'informationgénétique est codée d'une façon discontinue,en gènes, dans la molécule d'ADN.
Il n'est pas question ici de retracer toute l'oeuvre de Mendel ni de consacrer une part importante de ce cours à la génétique formellemais la méthode d'analyse mendélienne est d'autant plusd'actualité que l'étude du polymorphisme de l'ADN telle qu'onla pratique maintenant fait appel aux mêmes principes.
De très nombreux biologistes avant Mendel avaient observé lerésultat de croisements de plantes ou d'animaux sans en tirer le moindreenseignement. Pourquoi Mendel a-t-il compris l'essentiel du mécanismede l'hérédité en réalisant simplement des croisementsde pois et en n'observant que quelques caractères phénotypiques ?

La démarche sert de modèle de nos jours.

  • il a choisi, comme matériel d'étude, une espèce à cycles relativement courts, autogame (dont les fleurs s'autofécondent) mais malgré tout à fleur accessible et pollinisable manuellement.

  • il existait de nombreuses variétés de pois aisément discernables les unes des autres.

  • il s'est intéressé à des caractères qualitatifs bien tranchés : aspect lisse ou ridé du grain, couleur de la fleur, des cotylédons ... dont l'expression n'est pas soumise à l'environnement. Les caractères quantitatifs, qui peuvent varier d'une façon continue (taille de la plante, poids des grains ...) sont beaucoup plus difficiles à appréhender bien que se transmettant selon les mêmes règles que les autres.

  • il n'a étudié que peu de caractères à la fois (un seul au début).

  • il a été le premier à utiliser l'outil mathématique en biologie.

  • il avait un grand sens de l'analyse et de la synthèse et ne s'enlisait pas dans les détails.

1 ANALYSE MENDELIENNE DE LA TRANSMISSION D'UN CARACTERE

(MONOHYBRIDISME)

Elle va se faire par croisement de variétés ne différant que par un caractère d'où le terme de monohybridisme souvent utilisé.
L'exemple le plus célèbre est celui du caractère deforme de la graine de pois, ronde chez la plupart des pois mais ridéepour plusieurs variétés établies à l'époquede Mendel. "Variété établie" veut dire ici (et ce futl'une des expériences de Mendel) que les graines produites par desplantes issues de graines rondes, par autofécondation, présentent la même caractéristique de productionde graines rondes. Il en est exactement de même pour des "lignées"à grains ridés.

C'est cette notion de continuité génétique qui permet l'obtention de ce que nous allons appeler des lignées pures.

Ayant observé et sélectionné ce caractère nettementdiscriminant, il va croiser des plantes de ces deux lignées, plantesdéfinies comme parents (P). Le résultat est l'obtention deplantes (de première génération, appelée F1)qui toutes produisent des grains ronds. L'homogénéitédes produits de première génération est remarquableet va constituer un élément important de l'analyse. Unegénération F2 obtenue par autofécondation d'individusF1 présente à nouveau les deux phénotypes : grains rondset ridés, le dénombrement fait ressortir dans cette populationde seconde génération trois quarts de grains ronds pour unquart de grains ridés : les deux caractères parentaux serépartissent (ségrégent)dans des proportions 3/4, 1/4.
Mendel a pu généraliser cette observation en croisant d'autreslignées ne différant que par un caractère, 7 "traits"qualitatifs ont été suivis avec les résultats suivants:

 Lignées parentales

Phénotype

      F1

Rapport phénotypique

    des plantes F2

grains ronds x ridés

grains jaunes x verts

pétales pourpres x blancs

gousses pleines x plissées

fleurs axiales x terminales

tiges longues x naines

ronds

jaunes

pourpres

pleines

axiales

longues

2,96 ronds pour 1 ridé

3,01 jaunes/1 vert

3,15 pourpres/1 blanc

2,95 pleines/1 plissée

3,14 axiales/1 terminale

2,84 longues/1naine

L'exemple de la couleur de la fleur a étéchoisi dans le cours illustré.

L'observation des produits de l'autofécondation de lagénération F2 était la suite logique du travail. Lerésultat pour le caractère "aspect du grain", a étéle suivant : les plantes issues des pois à phénotype grainridé reproduisent invariablement le même phénotype. Ilen va autrement des pois de phénotype grain rond, bien que certainsreproduisent invariablement le caractère grain rond, d'autres produisentun mélange des deux phénotypes dans des proportions de 3/4de ronds pour 1/4 de ridés.
Le côté pratique des expériences, regroupées dansla figure 1.1 sont à la portée de tout le monde, encore fallait-illes interpréter.

Il faut procéder méthodiquement en tirant parti de l'aspect qualitatif puis quantitatif des résultats.

Sur le plan qualitatif, il est clair qu'uneinformation est transmise et non un caractère: aucune plante ne présente le caractère ridé en F1cependant il réapparait en F2. Il faut bien admettre que ces informationssont conservées intactes (pures) à travers lesgénérations. Toute plante possède en fait deux informationspour un même caractère (deux formes alléliques), l'uned'entre elles (ridé pour la forme du grain ou blanc pour la couleurde la fleur...) n'étant pas exprimée en F1, on dira quel'allèle (rond ou pourpre) est dominantsur l'autre. L'allèle masqué en F1 est appelérécessif. Mendel a perçu ladiploïdie de la cellule somatique et l'asymbolisé par des lettres :

R (majuscule) va représenter l'allèle rond dominant, r (minuscule),l'allèle ridé, récessif.

L'information (double) pour une plante de lignée pure de phénotypegrain rond sera écrite R/R c'est ce qui représente le"génotype" de la plante pour lecaractère forme du grain. De la même façon, le génotypede la lignée récessive pour ce même caractèresera écrit r/r .
Mendel a également compris qu'au cours de la formation des gamètesil y a disjonction de ces deux informations,ce que l'on connaît actuellement de la méiose et de laséparation des chromosomes homologues (porteurs d'élémentsd'information homologues), apporte un support à l'hypothèsede Mendel.
Il est clair qu'une recombinaison va avoir lieu au moment de lafécondation, les combinaisons parentales d'information sont :
R avec R pour l'un avec production de gamètes R et r avec r pour l'autreet production de gamètes r, l'information d'un individu issu de cecroisement regroupera R et r et le génotype s'écrira R/r. Cecireprésente une combinaison nouvelle par rapport à R/R ou r/ret constitue une première prise de contact avec la notion fondamentaleen génétique de recombinaison("Re - combinaison").

Un pas considérable sera franchi (bien après Mendel) lorsquel'on découvrira que derrière ces majuscules et minuscules (Ret r par exemple), qui symbolisent des formes alléliques d'un mêmegène, se cachent des séquences d'ADN, presque semblables, mais pas tout à fait, situées au même endroit (au même locus), dans deux chromosomeshomologuesDe la même façon, les réponses à la question de l'expression du matériel génétique vont éclairer des notions restées longtemps abstraites telle que la dominance parexemple.
Sans attendre le détail des chapitres relatifs à l'expression des gènes, il est bon d'avoir présent à l'esprit, d'une façon réflexe, quel'expression d'un gène passe par la réalisation d'une protéine spécifique, le gène,en tant qu'unité d'information "code" une protéine.On peut en rester là : un caractère phénotypique peuttrès bien être une protéine de structure. Il peutégalement s'agir d'une protéine enzymatique et un exemple très simple de la réalisation du caractèrephénotypique "fleur pourpre" étudié par Mendel, pourraitêtre le suivant :

             

L'enzyme Enz représente le produit direct d'un gène.

En reprenant la symbolique déjà utilisée, si E représente l'information pour Enz :

E/E représente un génotype homozygote avec, sur chaque chromosome homologue une information permettant la synthèse de l'enzyme fonctionnelle et donc la possibilité de transformer le substrat incolore en pigment.e/e représente un génotype, homozygote également mais,pour chaque chromosome homologue, le locus est occupé par une information erronée ne permettant pas la synthèse d'une enzyme fonctionnelle, en conséquence, le substrat ne sera pas métabolisé et la fleur apparaître blanche (absence de pigment).L'hétérozygote E/e possèdeà la fois une information normale et une information erronée,l'information correcte permet la réalisation d'une enzyme fonctionnelleet la synthèse du pigment car elle"complémente" l'information incorrectece qui se traduit par : l'allèle E est dominant sur l'allèlee (récessif) car chez un hétérozygote E/e c'est lephénotype pigmenté qui se manifeste.

Cette incursion dans le domaine de l'expression de l'informationgénétique va nous permettre d'aborder, à l'aide d'unseul exemple, deux notions importantes (par leurs conséquences), lacodominance et le pluriallélisme.
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