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Relation entre ADN et protéines - Notion de gène

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Objectif

L'étude de plusieurs maladies (drépanocytose, phénylcétonurie...) montre qu'une modification de la séquence des nucléotides de la molécule d'ADN s'accompagne d'une modification du phénotype de l'individu avec, à chaque fois, des particularités dans la séquence des acides aminés des protéines synthétisées (hémoglobine, phénylalanine hydroxylase...).
Quelle correspondance peut-on établir entre ADN et protéines ?

1. La localisation des acides nucléiques dans la cellule

L'ADN et l'ARN sont des acides nucléiques :
- ADN = acide désoxyribonucléique ;
- ARN = acide ribonucléique.

Lorsqu'on place l'extrémité d'une racine d'ail dans le colorant vert de méthyl-pyronine pendant deux minutes, l'ADN est coloré en vert et l'ARN coloré en rose. Après un tel traitement, l'observation au microscope optique à fort grossissement montre que l'ADN se trouve dans le noyau exclusivement, tandis que l'ARN se trouve dans le noyau et dans le cytoplasme.

L'utilisation d'isotopes radioactifs permet d'affiner cette localisation et montre que l'ARN est fabriqué dans le noyau de la cellule, puis qu'il migre dans le cytoplasme.

2. Localisation de la synthèse des protéines

Des acides aminés radioactifs (par exemple de la leucine tritiée) sont ajoutés au milieu de culture de cellules eucaryotes. Un lot L est constitué de cellules dont le noyau a été détruit peu avant la mise en culture (elles sont énucléées). Un autre lot N est constitué de cellules ayant un noyau normal.
Une technique d'autoradiographie permet de localiser la leucine incorporée dans les protéines. Sur les clichés obtenus à l'aide d'un microscope à transmission, on observe des points sombres correspondant aux molécules de leucine radioactive. Dans les deux cas, la leucine a été incorporée dans les protéines au sein du cytoplasme.
Les mêmes résultats sont obtenus avec d'autres acides aminés radioactifs.

La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme, sans mise en jeu directe du noyau et de ses constituants.

3. Du gène à la protéine

a. L'ARN messager, un intermédiaire entre ADN et protéine

ARN et ADN sont deux molécules constituées d'un enchaînement de nucléotides, mais dans l'ARN, le sucre des nucléotides est du ribose, et non pas le désoxyribose de l'ADN et la base azotée uracile (U) remplace la thymine (T).
De plus, l'ARN est une molécule formée d'une seule chaîne de nucléotides, tandis que l'ADN a deux chaînes complémentaires disposées en double hélice.

L'ADN des chromosomes est localisé dans le noyau, séparé du cytoplasme par l'enveloppe nucléaire, alors que la synthèse des protéines s'effectue dans le cytoplasme. Pour cela, des copies du gène s'effectuent dans le noyau, sous forme d'ARN messager contenant la même information que le gène. Cette information est caractérisée par la même séquence de nucléotides que celle de l'un des deux brins d'ADN.

b. Deux étapes pour la synthèse des protéines

La copie d'un gène s'effectue d'abord, grâce à une enzyme nommée ARN-polymérase, dans le noyau sous forme d'ARN messager : cette première étape s'appelle la transcription.
Les ARN produits quittent le noyau par les pores de l'enveloppe nucléaire. Ils jouent le rôle de messagers. Dans le cytoplasme, les acides aminés sont assemblés, par de petits organites nommés ribosomes, en chaînes polypeptidiques, dans l'ordre imposé par le message contenu dans l'ARN : cette seconde étape s'appelle la traduction.

c. Transcription et traduction : une efficacité différente d'un gène à l'autre

Une cellule possède l'ensemble des gènes présents dans la cellule œuf initiale. Cependant, seul un petit nombre d'entre eux s'exprime à un moment précis dans une cellule différenciée (cellule de l'intestin, de la moelle osseuse, du cerveau, du muscle...) : à un instant donné dans une cellule prise au hasard dans l'organisme, la plupart des gènes ne s'expriment pas.
De plus, certaines protéines sont fabriquées en petite ou en grande quantité selon les besoins.

L'essentiel

Dans les cellules eucaryotes, l'ADN (acide désoxyribonucléique) est localisé à l'intérieur du noyau. Il comporte une multitude de gènes qui ne s'expriment pas tous simultanément dans les cellules de l'organisme.
L'ARN_m (acide ribonucléique messager), est une copie d'une portion d'ADN, synthétisé dans le noyau ; il migre ensuite dans le cytoplasme où il sert à organiser la synthèse de protéines.

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