L'expression de l'information génétique
Seconde · SVT · La Terre, la vie et l'organisation du vivant
La Terre, la vie et l'organisation du vivant
Du gène à la protéine : transcription et traduction
L'ADN contient l'information, mais il ne fait rien tout seul. Ce sont les protéines qui travaillent dans la cellule : elles construisent, transportent, accélèrent les réactions, colorent. Toute la question est donc : comment passe-t-on d'une séquence de bases à une protéine ?
Deux étapes, deux lieux
Chez les eucaryotes, l'ADN reste enfermé dans le noyau : il ne sort jamais. La cellule fabrique donc une copie de travail du gène, une molécule d'ARN messager, qui, elle, peut sortir dans le cytoplasme. L'expression d'un gène se fait ainsi en deux temps : la transcription dans le noyau, puis la traduction dans le cytoplasme.
| Transcription | Traduction | |
|---|---|---|
| Lieu | Dans le noyau | Dans le cytoplasme, sur les ribosomes |
| Molécule de départ | Un brin d'ADN (le brin transcrit) | L'ARN messager |
| Molécule produite | L'ARN messager (ARNm) | La protéine (chaîne d'acides aminés) |
| Langage | Bases → bases (même alphabet) | Bases → acides aminés (changement d'alphabet) |
| Règle utilisée | Complémentarité : A-U, T-A, C-G, G-C | Le code génétique : 1 codon = 1 acide aminé |
L'ARN messager : presque de l'ADN, mais pas tout à fait
- L'ARN est formé d'un seul brin, alors que l'ADN en a deux.
- Son sucre est le ribose et non le désoxyribose.
- La base uracile (U) y remplace la thymine (T) : les bases de l'ARN sont A, U, C, G.
- Il est court et temporaire : il est détruit après usage, alors que l'ADN est conservé.
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Code génétique, phénotypes et différenciation cellulaire
| Codon de l'ARNm | Acide aminé désigné |
|---|---|
| AUG | Méthionine (codon de début de traduction) |
| UUU, UUC | Phénylalanine |
| CCU, CCC, CCA, CCG | Proline |
| UGG | Tryptophane |
| AAA, AAG | Lysine |
| UAA, UAG, UGA | Aucun : ce sont les codons STOP |
Une mutation, et après ?
Une mutation modifie la séquence de l'ADN, donc celle de l'ARN messager, donc parfois celle de la protéine. Mais pas toujours ! Grâce à la redondance du code génétique, un changement de base peut aboutir à un codon qui désigne le même acide aminé : la protéine est alors inchangée. Trois cas de figure sont possibles :
• Aucun effet : le nouveau codon code le même acide aminé (par exemple CCU devenu CCA, qui donnent tous deux la proline).
• Protéine modifiée : un acide aminé est remplacé par un autre. Selon sa position, la protéine peut rester fonctionnelle ou devenir inefficace.
• Protéine tronquée : si le nouveau codon est un codon stop, la traduction s'arrête trop tôt et la protéine, incomplète, est en général non fonctionnelle.
Les trois échelles du phénotype
Un phénotype, ce sont les caractères observables d'un individu. Mais « observable » dépend de l'échelle à laquelle on se place. On distingue trois niveaux, du plus visible au plus fin.
| Échelle | Ce qu'on observe | Exemple (drépanocytose) |
|---|---|---|
| Phénotype macroscopique | Les caractères visibles à l'œil nu | Fatigue, douleurs, anémie |
| Phénotype cellulaire | L'aspect des cellules au microscope | Globules rouges déformés en faucille |
| Phénotype moléculaire | La protéine concernée | Hémoglobine anormale, qui s'agglutine |
La logique est toujours la même, et elle se lit de bas en haut : le génotype (l'allèle porté) détermine le phénotype moléculaire, qui explique le phénotype cellulaire, qui explique enfin le phénotype macroscopique.
Pourquoi un neurone ne ressemble pas à une cellule de peau
Voici un fait déroutant : toutes les cellules d'un même organisme possèdent exactement le même génome. Un neurone, une cellule de peau et un globule blanc contiennent tous les mêmes gènes. Pourtant, ils n'ont ni la même forme ni la même fonction. L'explication tient en une phrase : chaque type cellulaire n'exprime qu'une partie de ses gènes.
Exercices corrigés
Quelle base est présente dans l'ARN mais absente de l'ADN ?
- A.L'adénine (A)
- B.La cytosine (C)
- C.La thymine (T)
- D.L'uracile (U)Bonne réponse
Réponse : D — L'uracile (U)
L'ARN utilise les bases A, U, C et G : l'uracile (U) y remplace la thymine (T) de l'ADN. Les bases A, C et G sont donc communes aux deux molécules. Attention à ne pas inverser : c'est la thymine qui est absente de l'ARN, et l'uracile qui est absente de l'ADN.
De quoi une protéine est-elle constituée ?
- A.D'une double hélice de nucléotides
- B.De quatre bases azotées assemblées
- C.D'une chaîne d'acides aminésBonne réponse
- D.De phospholipides empilés
Réponse : C — D'une chaîne d'acides aminés
Une protéine est une chaîne d'acides aminés, dont il existe 20 sortes. C'est l'ordre précis de ces acides aminés qui donne à la protéine sa forme dans l'espace, et donc sa fonction. Les nucléotides et les bases azotées constituent l'ADN et l'ARN, tandis que les phospholipides forment la membrane plasmique : trois familles de molécules à ne pas confondre.
Un brin transcrit d'ADN a pour séquence T A C G G A. Quelle est la séquence de l'ARN messager correspondant ?
- A.T A C G G A
- B.A T G C C T
- C.A U G C C UBonne réponse
- D.U A C G G A
Réponse : C — A U G C C U
On applique la complémentarité en remplaçant T par U : T donne A, A donne U, C donne G, ce qui donne AUG ; puis G donne C, G donne C, A donne U, ce qui donne CCU. L'ARN messager est donc AUG CCU. Attention à la deuxième proposition : elle contient un T, or l'ARN n'en contient jamais. La quatrième garde la séquence de l'ADN sans appliquer la complémentarité.
En utilisant le code génétique (AUG = méthionine, UUU = phénylalanine, CCA = proline), quelle protéine correspond à l'ARN messager A U G U U U C C A ?
- A.Méthionine – phénylalanine – prolineBonne réponse
- B.Proline – phénylalanine – méthionine
- C.Méthionine – proline – phénylalanine
- D.Une protéine de 9 acides aminés
Réponse : A — Méthionine – phénylalanine – proline
On découpe l'ARN messager en codons, de gauche à droite : AUG, puis UUU, puis CCA. Chaque codon désigne un acide aminé, dans le même ordre : méthionine, puis phénylalanine, puis proline. La protéine compte 3 acides aminés et non 9 : les 9 bases correspondent à 9/3 = 3 codons. L'ordre de lecture ne s'inverse jamais.
Un neurone et une cellule de peau du même individu contiennent-ils les mêmes gènes ?
- A.Non, chaque cellule ne garde que les gènes dont elle a besoin
- B.Oui, ils ont le même génome, mais ils n'expriment pas les mêmes gènesBonne réponse
- C.Non, le neurone a perdu les gènes de la peau au cours de sa différenciation
- D.Oui, et ils fabriquent donc exactement les mêmes protéines
Réponse : B — Oui, ils ont le même génome, mais ils n'expriment pas les mêmes gènes
Toutes les cellules d'un organisme proviennent de la même cellule-œuf par divisions successives : elles possèdent donc toutes le même génome, sans exception. Ce qui les différencie, c'est l'usage qu'elles en font : chaque type cellulaire ne transcrit qu'une partie de ses gènes et fabrique donc un lot de protéines qui lui est propre. Aucun gène n'est perdu lors de la différenciation.
Une portion codante d'ARN messager compte 150 nucléotides. Combien d'acides aminés comptera la protéine correspondante ?
- A.50Bonne réponse
- B.150
- C.450
- D.75
Réponse : A — 50
Chaque acide aminé est codé par un codon de 3 nucléotides. Il suffit donc de diviser : 150 / 3 = 50 acides aminés. L'erreur classique est de multiplier par 3 (on obtient 450, ce qui donnerait une protéine plus longue que son message, impossible) ou de diviser par 2 (75), ce qui correspondrait à des codons de deux bases — insuffisants pour coder 20 acides aminés.
Le brin NON transcrit d'un gène a pour séquence A T G A A A. Quelle est la séquence de l'ARN messager ?
- A.A U G A A ABonne réponse
- B.U A C U U U
- C.T A C T T T
- D.A T G A A A
Réponse : A — A U G A A A
Petit raisonnement en deux temps. Le brin transcrit est le complémentaire du brin non transcrit ; l'ARN messager est lui-même le complémentaire du brin transcrit. Le complémentaire du complémentaire nous ramène donc au brin de départ : l'ARN messager a la même séquence que le brin non transcrit, avec simplement U à la place de T. ATG AAA donne donc AUG AAA. La deuxième proposition correspond à ce qu'on obtiendrait si le brin donné avait été le brin transcrit — d'où l'importance de bien lire l'énoncé.
Pourquoi une bactérie est-elle capable de produire de l'insuline humaine si on lui transfère le gène correspondant ?
- A.Parce que la bactérie fabrique naturellement de l'insuline
- B.Parce que le code génétique est universel : la bactérie lit le gène humain de la même façonBonne réponse
- C.Parce que la bactérie transforme le gène humain en gène bactérien
- D.Parce que la bactérie possède un noyau comme les cellules humaines
Réponse : B — Parce que le code génétique est universel : la bactérie lit le gène humain de la même façon
L'universalité du code génétique est la clé : les codons désignent les mêmes acides aminés chez la bactérie et chez l'être humain. La machinerie bactérienne transcrit puis traduit le gène humain sans difficulté et obtient exactement la même protéine. Le gène n'est pas modifié au passage, et la bactérie reste un procaryote sans noyau — c'est justement parce qu'elle n'a pas de noyau que l'opération est techniquement plus simple.
Un gène compte 900 paires de bases dans sa partie codante. En supposant que toute cette partie est traduite, combien d'acides aminés au maximum comptera la protéine ?
- A.300Bonne réponse
- B.900
- C.1800
- D.2700
Réponse : A — 300
Raisonnons étape par étape. 900 paires de bases d'ADN sont transcrites en un ARN messager de 900 nucléotides — attention, on ne double pas : l'ARN est simple brin et ne recopie qu'un seul des deux brins d'ADN. Ces 900 nucléotides sont ensuite lus par triplets : 900 / 3 = 300 acides aminés. Répondre 1800 revient à compter les deux brins de l'ADN, et 2700 à multiplier par 3 au lieu de diviser.
Une mutation modifie une base dans un gène, mais la protéine produite reste parfaitement fonctionnelle et le phénotype est inchangé. Quelle explication n'est PAS possible ?
- A.Le nouveau codon code le même acide aminé grâce à la redondance du code génétique
- B.L'acide aminé a changé, mais dans une zone de la protéine sans rôle dans sa fonction
- C.La mutation touche une partie du gène qui n'est pas traduite
- D.La mutation a supprimé le codon initiateur AUG du gèneBonne réponse
Réponse : D — La mutation a supprimé le codon initiateur AUG du gène
Les trois premières explications sont toutes plausibles et bien connues : la redondance du code rend beaucoup de mutations silencieuses, un changement d'acide aminé dans une région peu importante n'altère pas forcément la fonction, et une mutation hors zone traduite n'a aucun effet sur la séquence de la protéine. En revanche, supprimer le codon AUG empêcherait le ribosome de savoir où commencer la traduction : aucune protéine correcte ne serait produite, et le phénotype serait donc nécessairement affecté. C'est la seule explication incompatible avec l'énoncé.
Où se déroule la transcription dans une cellule eucaryote ?
- A.Dans le cytoplasme, sur les ribosomes
- B.Dans le noyauBonne réponse
- C.Dans les mitochondries uniquement
- D.Dans la membrane plasmique
Réponse : B — Dans le noyau
La transcription consiste à recopier un gène en ARN messager. Comme l'ADN ne sort jamais du noyau chez les eucaryotes, cette copie se fait obligatoirement sur place, dans le noyau. C'est ensuite l'ARN messager, plus petit et mobile, qui sort dans le cytoplasme pour y être traduit sur les ribosomes.
Combien de bases de l'ARN messager faut-il pour coder un acide aminé ?
- A.TroisBonne réponse
- B.Une
- C.Deux
- D.Vingt
Réponse : A — Trois
Les bases sont lues par groupes de trois, appelés codons : un codon désigne un acide aminé. Pourquoi trois ? Avec 4 bases prises une par une, on n'obtiendrait que 4 combinaisons, et deux par deux seulement 16 : insuffisant pour les 20 acides aminés. Avec des triplets, on obtient 4 × 4 × 4 = 64 combinaisons, largement assez — d'où la redondance du code.
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