La cellule, ses organites et leurs fonctions

Ribosomes et protéasomes : la synthèse et la dégradation des protéines

 

Dans cette ressource, nous nous focaliserons sur le code génétique, la production de différentes formes d'ARN (ARNr, ARNt et ARNm) dans le noyau, la composition des ribosomes et le mécanisme de la synthèse protéique. Nous expliquerons comment la séquence nucléotidique est traduite en protéine grâce aux processus d'initiation, de translocation et de terminaison de la synthèse protéique. Nous dirons également comment les protéines sont dégradées (protéolyse) soit par la voie du protéasome soit par celle du lysosome (et dans un cas particulier par des caspases). Cette dynamique entre synthèse et dégradation, assure d'une part le bon fonctionnement des protéines et d'autre part permet à la cellule de s'adapter aux changements de l'environnement (plasticité cellulaire).

Prérequis  :

Objectifs  :

Temps de travail prévu  :  3 heures

Sommaire :

Introduction
    :: Acides nucléiques : ADN et ARN
    :: ADN versus ARN
Code génétique, ARN messager et ARN de transfert
    :: ARNm
    :: ARNt
Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
    :: ARN ribosomal ; ribosome
    :: Initiation de la traduction
    :: Elongation de la chaîne peptidique
    :: Terminaison de la traduction
    :: Régulation du taux d'expression des protéines
:: Repliement des protéines
Dégradation des protéines : protéolyse
    Dégradation d'une protéine par un protéasome
        :: Processus d'ubiquitination
        :: Ubiquitination par l'E3–ligase (SCF)
        Le protéasome
            :: La particule 20 S
            :: Activateurs du protéasome (PA)
    Dégradation lysosomale des protéines par les cathepsines
        :: Le lysosome
        :: Les cathepsines
    :: Dégradation des protéines par les caspases (apoptose)


Introduction

Les nombreuses protéines de la cellule doivent être synthétisées et, de plus, ayant pour la plupart une durée de vie limitée (entre quelques minutes et quelques jours), elles doivent être renouvelées en permanence (entretien). Des exceptions existent, puisque certaines protéines de la matrice extracellulaire sont connues pour leur longévité (plusieurs années). Cette synthèse est particulièrement spectaculaire dans les phases de croissance des tissus ou au cours de la cicatrisation (réparation). Dans cette ressource nous traiterons des processus de synthèse (assemblage des acides aminés en chaîne polypeptidique = protéine) et des processus de dégradation intracellulaire, dus respectivement aux ribosomes et aux protéasomes et lysosomes (figure 1a)).

Figure 1a. Localisation des processus

Figure 1a. Localisation des processus

Dans le cadre de la synthèse, nous introduirons une autre entité chimique (en plus des lipides, glucides et acides aminés), la chaîne de nucléotides (ADN et ARN). La première partie de cette ressource est consacrée à l'ADN et l'ARN qui sont d'une part, le support d'un message codé (ADN, ARNm et ARNt) qui détermine la nature de la protéine, c'est-à-dire le nombre, l'ordre et l'identité de ses acides aminés, et d'autre part qui participent activement à la synthèse protéique (ARNr des ribosomes).

Figure 1b. Du gène à la protéine

Figure 1B. Du gène à la protéine

  Partez en excursion : découverte des protéines

Sommaire


Introduction
Acides nucléiques : ADN et ARN

ADN et ARN sont des polymères de nucléotides. Un nucléotide comporte une base azotée (composée d'un ou deux cycles carbonés), un (désoxy)ribose (glucide pentose cyclique) et un ou plusieurs groupements phosphates. Le polymère s'assemble par liaison phosphodiester entre les riboses sur les carbones et . Les riboses-phosphates forment le squelette du polymère souvent présenté sous forme de ruban (voir figure 2a). Les chaînes nucléotidiques ont une grande souplesse conformationnelle, ce qui autorise l'apparition de structures complexes. Ces structures (tertiaires) sont dues à l'appariement spécifique des bases par des ponts hydrogènes, trois entre C et G et deux entre A et T ou A et U, mais aussi à la tendance qu'ont les bases à s'empiler les unes sur les autres (« Pi stacking ») grâce aux charges électrostatiques et aux forces de Van der Waals (voir figure 2a).

Figure 1b. Du gène à la protéine

Figure 2a. Appariement des bases et Pi stacking dans l'ADN et l'ARN

 Structure de l'ADN...

Dans le cas de l'ADN, deux chaînes nucléotidiques complémentaires permettent la réalisation de toutes ces interactions, si bien qu'une double hélice très stable apparaît (appariement intermoléculaire). Dans le cas de l'ARN cette complémentarité entre les chaînes est rare, mais possible comme cela est montré sur le panneau central de la figure 2a, qui concerne l'ARN viral. En général, chez les eucaryotes, la structure de l'ARN résulte des appariements intramoléculaires. Voir par exemple les ponts hydrogènes présents dans l'ARN de transfert (indiqués par des lignes pointillées dans la figure 7 et qui sont à l'origine de la conformation complexe présentée en figure 8.

Sommaire


Introduction
ADN versus ARN

La différence entre ADN (acide désoxyribonucléique) et ARN (acide ribonucléique) réside dans l'absence (désoxyribose) ou à la présence (ribose) respectivement, d'un groupe OH sur le carbone 2 du ribose (voir figure 2b). La présence de l'OH porté par le carbone 2 a des conséquences importantes car elle rend la chaîne de nucléotides plus sensible à l'hydrolyse de la liaison ester  (induisant la fragmentation de la chaîne, voir panneau C à droite de la figure 2b). Bien que l'ARN soit très utilisé pour ses propriétés enzymatiques et codantes (voir ci-dessous), sa fragilité le rend peu favorable au stockage de l'information génétique. Il semble que l'évolution ait attribué ce rôle à l'ADN, forme nucléotidique beaucoup plus résistante. L'ensemble des propriétés de l'ADN suscite une comparaison avec un CD-ROM : stockage robuste et non modifiable de l'information. Cette analogie demeure cependant approximative car l'ADN subit des altérations mineures dans des circonstances telles que les mutations ponctuelles (dans toutes les cellules) ou les translocations chromosomiques qui surviennent lors de la méiose dans les cellules germinales.

L'agencement structural de l'ADN ou de l'ARN joue un rôle très important dans la stabilité de la chaîne moléculaire. En effet l'agencement de l'ADN en double hélice (deux chaînes antiparallèles et complémentaires), son empaquetage très dense dans le noyau et son association étroite avec des protéines (histones), représentent des facteurs supplémentaires de stabilité. Les mêmes principes s'appliquent également à l'ARN : l'ARN ribosomal (ARNr) est le plus stable (vie moyenne de l'ordre de quelques jours) parce que très replié sur lui-même (avec fréquents ré-appariements intramoléculaires) et associé à de nombreuses protéines. L'ARN de transfert (ARNt), bien que non associé à des protéines, doit sa bonne stabilité au repliement de sa chaîne et c'est l'ARN messager (ARNm), peu replié sur lui-même qui est le moins stable (vie moyenne de l'ordre de quelques heures).

Figure 2b. ADN versus ARN, avec image de coupure de la chaîne

Figure 2b. ADN versus ARN, avec image de coupure de la chaîne

Sommaire


Code génétique, ARN messager et ARN de transfert

 

Sommaire


Code génétique, ARN messager et ARN de transfert
ARNm

La synthèse des protéines, au contraire de la synthèse lipidique et de l'assemblage des chaînes glucidiques, est dirigée par une matrice. Cette matrice, l'ARN messager (ARNm) déterminera, grâce à un message codé, la nature, l'ordre et le nombre des acides aminés (parmi un choix de 20 différents), assemblés pour former l'axe polypeptidique de la protéine. Dans ce code, déchiffrable uniquement dans le sens vers , l'identité de chaque acide aminé est donnée par une séquence spécifique de trois nucléotides consécutifs sur l'ARNm, dénommée codon. Les nucléotides du code sont au nombre de quatre : adénine phosphate (A), guanosine phosphate (G), cytosine phosphate (C) et uridine phosphate (U).

Quelques exemples : AUG code la méthionine, ACC code la thréonine et UCA code la sérine (voir figure 3).

Figure 3. Code génétique

Figure 3. Code génétique

  Partez en excursion : Sanger et la reconnaissance de
l'importance d'une séquence amino-acidique orientée

Comme on le voit dans la figure 3, l'ensemble des codons possibles, , est supérieur au nombre d'acides aminés disponibles (20 chez les Eucaryotes), si bien qu'un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons : si le tryptophane n'a que le seul codon UGG, la glycine peut être codée par les combinaisons GGU, GGC, GGA ou GGG. Pour faire référence à cette caractéristique, les anglo-saxons parlent de « degenerate code ».

Etant donné qu'on dispose de 20 acides aminés, le code à trois lettres paraît être le plus cohérent (optimum). En effet, le code à deux lettres serait insuffisant, car ne permettant que 16 combinaisons (). A l'inverse, le code à quatre lettres, permettant 256 combinaisons () serait excessif, rendant inutilement long le génome codant. Le code est universel : il est utilisé par tous les organismes, animaux, végétaux, champignons, bactéries et virus. Cependant, des codons légèrement différents peuvent exister chez les mitochondries et certaines bactéries.

Figure 4. Du gène à la protéine

Figure 4. Du gène à la protéine

Chez les Eucaryotes, le message codé porté par l'ARNm a lui-même été copié par une ARN polymérase–II nucléaire lors d'un processus appelé transcription, sur une séquence nucléotidique précise faisant partie de l'ADN du noyau et qu'on appelle gène (copie complémentaire du brin non codant du gène, voir figure 4). Le séquençage du génome humain a démontré l'existence d'environ 40 000 gènes (qui ne représentent que de la quantité totale de l'ADN du noyau). Il est important de savoir que ces 40 000 gènes sont à l'origine de la synthèse d'environ 200 000 protéines différentes (amplification). Comme nous le verrons dans la ressource « transcription et réplication de l'ADN », c'est l'épissage (alternatif), traitement différentiel du transcrit primaire de l'ARNm ou ARN hétérogène nucléaire (ARNhn, copie brute du gène), qui est largement responsable de ce phénomène d'amplification (voir figure 5).

Figure 5. ADN, ARN, épissage, protéine

Figure 5. ADN, ARN, épissage, protéine

En bref, l'ARNhn subit des modifications qui consistent dans le rajout d'une tête côté (7–méthyl–guanosine–triphosphate ou m7G), dans l'élimination des introns, séquences non codantes de l'ARNm (phénomène d'épissage) et enfin, dans l'addition d'une chaîne d'environ 200 adénosines coté (queue poly(A)). Dans des cas particuliers, l'élimination de certains exons, séquences codantes de l'ARNm, conduit à un phénomène appelé épissage alternatif. L'ARNm ainsi maturé (environ la moitié de la taille du transcrit primaire) se complexe avec des protéines, les protéines ribonucléiques hétérogènes. C'est le cas des facteurs d'initiation eIF4E et eIF4G, ainsi que des protéines fixant le poly(A) (PABP1 et 2, Poly(A) binding protein) (voir figure 6 et cliquez sur la loupe positionnée sur PABP). L'ensemble quitte le noyau à l'aide de la protéine p15 liée à TAP (Tip-Associated Protein) qui participe au transport à travers le pore nucléaire. En sortant du noyau, l'ARNm est tout de suite reconnu par d'autres facteurs d'initiation (eIF's) de la synthèse protéique comme on le décrira ci-dessous. La présence de la tête  (m7G), la queue poly(A) et les protéines qui fixent ces structures, empêchent l'accès des exonucléases à la chaîne nucléotidique et augmentent ainsi la durée de vie de l'ARNm. Dans la plupart des ARNm il existe des éléments riches en AU, les AREs positionnés coté , qui eux aussi fixent des protéines impliquées dans la régulation de la durée de vie (de quelques minutes à quelques jours selon l'ARNm, sa qualité et le contexte cellulaire) (voir figure 6, et cliquez sur la loupe positionnée sur l'ARNm).

Figure 6. Transcription, maturation et export de l'ARNm

Figure 6. Transcription, maturation et export de l'ARNm
[Cliquez sur les 2 loupes pour plus de détail...]

  Partez en excursion : découverte du code génétique

Sommaire


Code génétique, ARN messager et ARN de transfert
ARNt

Le code est déchiffré par les ARN de transfert (ARNt) selon le principe de reconnaissance complémentaire codon - anticodon. En effet l'ARNt possède une séquence de trois nucléotides (« trois lettres ») complémentaires du codon, c'est l'anticodon, qui s'appariera avec lui. Chaque ARNt est spécifiquement lié à un acide aminé précis. Par conséquent chaque codon de l'ARNm appellera un acide aminé spécifique qui se liera au précédent : c'est la traduction du gène. Dans l'exemple de la figure 7, l' est présenté de façon simplifiée selon le classique modèle en feuille de trèfle permettant de montrer la position de l'anticodon, le site de fixation de la phénylalanine (Phe), les nucléotides impliqués dans l'interaction avec la phénylalanyl–ARNt–synthétase (lettres en jaune) et, enfin, les nucléotides impliqués dans l'appariement intramoléculaire (liaison en pointillé).

Figure 7. Transcription de ARNt dans le noyau (pol III) et sa structure présentée selon le modèle en feuille de trèfle

Figure 7. Transcription de ARNt dans le noyau (pol III) et sa structure présentée selon le modèle en feuille de trèfle
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

Cette règle de complémentarité s'applique strictement au codon qui est reconnu par l'ARNt portant l'anticodon  ; cet ARNt liant de façon covalente et spécifique l'acide aminé méthionine. Cependant, certains ARNt peuvent reconnaître plusieurs codons car la complémentarité entre les nucléotides occupant la troisième place dans le triplet, n'est pas stricte (« wobble position »). Par exemple l'ARNt-alanine reconnaît les codons () GCA, GCC et GCU alors que, selon la règle de complémentarité stricte du modèle de Watson et Crick, ces séquences ne devraient s'apparier qu'avec les anticodons () CGU, CGG et CGA, respectivement. Or l'anticodon de l'alanine s'avère être () CGI (inosine) et ce sont les propriétés chimiques de l'inosine qui expliquent que cette base particulière peut s'apparier indifféremment avec U, C ou A (cliquer sur la loupe de la figure 7 pour plus de détails sur l'appariement des bases). La figure 8 montre en détail l'appariement de l'ARNt de la phénylalanine, anticodon , avec l'un des deux codons qui existent pour cet acide aminé (l'autre codon est sur l'ARNm).

Figure 8. Structure de l'ARNt et son interaction avec l'ARNm

Figure 8. Structure de l'ARNt et son interaction avec l'ARNm

Chaque ARNt est codé par un gène. Au total il existe 32 ARNt différents, transcrits par l'ARN polymérase–III dans le nucléoplasme. Le transcrit primaire est fortement modifié. Parmi ces modifications post-transcriptionnelles, on trouve : 1/ l'enlèvement de séquences de bases des cotés et (respectivement par la RNAse P et une endonucléase), 2/ l'addition d'une séquence CCA à l'extrémité par une nucléotidyl transférase (site de liaison covalente à l'acide aminé) et 3/ plusieurs modifications de nucléotides telles que la transformation de certaines guanosines en méthylguanosines ou de certaines adénosines en 2–méthylthio–N6–thréonylcarbobamyladénosines. Ces modifications jouent un rôle important dans l'appariement anticodon - codon et l'interaction de l'ARNt avec son aminoacyl-ARNt synthétase, l'enzyme qui permet de lier spécifiquement un acide aminé. La liaison entre l'ARNt et son aminoacyl-ARNt synthétase associée, est hautement spécifique et implique plusieurs régions de l'enzyme et de l'ARNt. Ceci a pour but d'éviter des erreurs dans la traduction (une erreur sur 2000 liaisons). La figure 9 montre les nombreux nucléotides (en bleu et rouge) de l' impliqués dans l'interaction avec la phénylalanyl-ARNt-synthétase.

Dans les cas où plusieurs codons traduisent un même acide aminé (code « dégénéré »), plusieurs ARNt (chacun avec un anticodon différent) seront porteurs du même acide aminé. Etant donné qu'il n'existe que 20 ARNt synthétases (pour 20 acides aminés), ceci revient à dire, que plusieurs ARNt interagissent avec la même ARNt synthétase. La liaison covalente entre ARNt et acide aminé nécessite l'hydrolyse de l'ATP (voir figure 9).

Figure 9. Chargement en phénylalanine de l'ARNtPhe par la phénylalanine-ARNt synthétase

Figure 9. Chargement en phénylalanine de l'ARNtPhe par la phénylalanine-ARNt synthétase

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome

La conversion en protéine du message codé par l'ARNm, nommée processus de traduction, est catalysée par un grand complexe d'ARN et de protéines, formant une particule visible en microscopie électronique : le ribosome (voir figure 10). Ce paragraphe décrira les intervenants précis indispensables à la traduction (synthèse de la protéine) : ARNm, ARNt, ribosome (ARN ribosomal (ARNr) et protéines ribosomales) ainsi que facteurs d'initiation (eIFs) et de terminaison. Il insistera aussi sur les différentes phases qui constituent la synthèse protéique : initiation, élongation et terminaison.

Figure 10. Structure du ribosome et position de l'ARNm et de l'ARNt

Figure 10. Structure du ribosome et position de l'ARNm et de l'ARNt

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
ARN ribosomal ; ribosome

Chez l'homme, le ribosome est une particule de 30 nm de diamètre, formée de deux sous-unités de taille inégale, la petite sous-unité (aussi appelée 40 S) et la grande sous-unité (aussi appelée 60 S). Elles sont composées de quatre chaînes d'ARN ribosomal et de nombreuses protéines. Le génome humain contient environ 200 gènes identiques codant l'ARN ribosomal (ARNr), répartis sur 5 chromosomes (13, 14, 15, 21 et 22). Chaque gène est transcrit dans le nucléole, plus précisément dans les zones fibrillaires, par une ARN polymérase I, en un précurseur de 47 S (14 000 bases d'une longueur de ) (voir figure 11, panneau supérieur, représentant deux gènes codant le 47 S en cours de transcription par de nombreuses unités d'ARN polymérase type I). Certaines séquences de ce précurseur sont excisées, ce qui donne naissance aux séquences 5,8 S et 28 S (pour assemblage de la grande sous-unité) et 18 S (pour celui de la petite sous-unité). Ceci est une façon simple d'assurer une production équilibrée des différents composants du ribosome (dans une stœchiométrie 1:1). L'ARNr 5 S, qui participe aussi à la grande sous-unité du ribosome, est transcrit par l'ARN polymérase III dans le nucléoplasme, et est codé par un gène différent.

Figure 11. Transcription de l'ARN ribosomal dans le nucléole

Figure 11. Transcription de l'ARN ribosomal dans le nucléole

33 protéines et l'ARNr 18 S composent la petite sous-unité alors que la grande sous-unité est formée de 49 protéines et trois ARNr 5 S, 5,8 S et 28 S. Toutes ces protéines sont importées dans le noyau où elles se combinent à l'ARNr pour former les ribosomes.

Malgré la présence des nombreuses protéines, l'ARNr demeure majoritaire en masse (un nucléotide est en moyenne quatre fois plus lourd qu'un acide aminé). De plus, par son arrangement spatial, imposé par sa séquence nucléotidique et l'appariement des bases complémentaires, c'est lui qui assure la structure du ribosome (voir figure 12). Cette structure établit des sites précis où se feront les interactions des sous-unités ribosomales avec l'ARNm et l'ARNt. Elle détermine aussi le site de l'activité peptidyl transférase (l'enzyme qui réalise la liaison peptidique entre les acides aminés). La particule complète (40 S + 60 S) n'est assemblée que dans le cytoplasme, en présence de l'ARNm, l' initiateur et des facteurs d'initiation (eIF).

Figure 12. Le ribosome est constitué de plusieurs chaînes d'ARNr et de nombreuses protéines

Figure 12. Le ribosome est constitué de plusieurs chaînes d'ARNr et de nombreuses protéines

Les images qui illustrent le texte montrent des ribosomes de procaryotes car plus étudiés sur le plan structural que ceux des eucaryotes. Les ribosomes des eucaryotes semblent très similaires, mais non identiques. Par exemple, le ribosome bactérien est plus petit en taille, a moins de protéines et des ARNr plus courts, ce qui est bien reflété par les constantes de sédimentation (Svedberg) de ses sous-unités : 30 S et 50 S respectivement pour la petite et la grande, versus 40 S et 60 S chez les eucaryotes. Les particularités moléculaires qui sont à la base de ces différences rendent les ribosomes bactériens plus sensibles aux antibiotiques que les ribosomes d'eucaryotes (ce que l'on appelle, dans l'industrie pharmaceutique, les différences exploitables).

  Partez en excursion : ARN et protéines constituent le ribosome

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
Initiation de la traduction

Elle consiste d'abord à reconnaître le point de départ du message codé porté par l'ARNm, c'est-à-dire le codon de départ AUG. Pour cela, il y a formation préalable d'un complexe, le complexe de pré-initiation, formé de la petite sous-unité (40 S), de l'ARNt de la méthionine ( initiateur) et du facteur d'initiation eIF–2, composé de sous-unités , et , dont le eIF–2 lié au GTP. Le complexe de pré-initiation reconnaît la tête () de l'ARNm, grâce à la présence de plusieurs facteurs d'initiation se fixant soit à la tête de l'ARNm soit à la petite sous-unité (40 S). L'un des facteurs d'initiation, à activité hélicase, aura pour fonction de linéariser la molécule d'ARNm (en supprimant d'éventuels appariements intramoléculaires de bases), ce qui permettra le déplacement du complexe de pré-initiation le long de l'ARNm (à la recherche du codon de départ). Grâce à la présence de l' initiateur qui porte l'anticodon –UAC–, le complexe de pré-initiation trouve le codon de départ –AUG–. Le GTP lié à eIF–2 est alors hydrolysé, ce qui déclenche la dissociation des facteurs d'initiation et l'association de la grande sous-unité à la petite. L'ARNm est alors pris entre les deux sous-unités et donc en mesure de coulisser par rapport au ribosome.

Figure 13. Initiation

Figure 13. Initiation
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
Elongation de la chaîne peptidique

L'élongation est le processus au cours duquel les acides aminés s'associent un à un pour former une chaîne polypeptidique. Chaque acide aminé, lié à son ARNt qui porte un anticodon spécifique, est appelé à rejoindre la chaîne en élongation par la reconnaissance de son codon situé sur l'ARNm. Après fixation de l' (sur « le site P ») et l'association de la grande sous-unité à la petite, le deuxième codon pourra lier son ARNt - acide aminé (sur « le site A »), cette fois lié au facteur d'élongation eEF–1, lui-même associé au GTP. Si l'appariement codon - anticodon est suffisamment fort, l'hydrolyse de GTP est déclenchée, suivie par la dissociation d'eEF–1, qui à son tour déclenche la liaison entre la méthionine et le deuxième acide aminé. A l'inverse, si l'appariement n'est pas fort, l'ARNt quitte le site sans que le GTP puisse être hydrolysé et donc le lien entre les acides aminés n'est pas réalisé. En conclusion, le processus s'effectue par essais successifs de différents couples ARNt - acide aminé qui se présentent de façon aléatoire. Seule une forte reconnaissance codon - anticodon autorise la liaison peptidique. Cette sélection rigoureuse de l'ARNt, qui garantit la traduction fidèle du message, est connue sous l'appellation « proofreading ». L'ARNt qui portait la méthionine, associée maintenant au deuxième acide aminé, est chassé de son site au cours d'une opération menée par un deuxième facteur d'élongation, eEF2, et qui s'effectue grâce à l'hydrolyse de GTP. Cette opération s'accompagne d'un déplacement relatif de l'ARNm et du ribosome, appelé translocation. L'ensemble du processus se répète d'une façon systématique pour chaque codon suivant jusqu'au codon de terminaison.

Figure 14. Début de l'élongation de la chaîne polypeptidique

Figure 14. Début de l'élongation de la chaîne polypeptidique
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

 (Re)voir la structure des acides aminés...

 (Re)voir la codification des acides aminés en 3 ou 1 lettre...

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
Terminaison de la traduction

La translocation s'effectue jusqu'à l'un des codons stop, UAA, UAG ou UGA, qui est lié à une protéine appelée facteur de terminaison de l'élongation (eTF), elle-même associée au GTP. Aucun autre acide aminé ne peut plus être ajouté, et la traduction est terminée par l'hydrolyse de la liaison du dernier acide aminé avec son ARNt (c'est dans la figure 15, cliquer sur la loupe à gauche pour plus de détails), formant ainsi l'extrémité carboxy terminale de la protéine. La chaîne protéique alors complète est libérée et les deux sous-unités du ribosome se dissocient libérant ainsi l'ARNm.

Figure 15. Terminaison de la traduction

Figure 15. Terminaison de la traduction
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

 Quelques données concrètes...

Sommaire


Synthèse des protéines : traduction de l'ARNm par le ribosome
Régulation du taux d'expression des protéines

La synthèse complète d'une protéine de 50 kDa nécessite environ 64 secondes. Autrement dit, le ribosome parcourt l'ARNm en 64 secondes. Cependant il est possible que le même ARNm soit simultanément parcouru par plusieurs ribosomes, formant ainsi un polyribosome (voir figure 16), augmentant donc considérablement la capacité de la traduction et, en conséquence, la synthèse protéique. Cependant le nombre des ribosomes est limité. Par exemple, un ARNm codant 490 acides aminés mesure environ 245 nm. Etant donné qu'un ribosome occupe 30 nm, on peut estimer que cet ARNm ne peut héberger simultanément que 8 ribosomes.

Figure 16. Polyribosome

Figure 16. Polyribosome

La formation de polyribosomes est dépendante de la vitesse d'initiation de la traduction. Ce processus est régulé par les facteurs d'initiation qui pour leur part sont régulés par des signaux externes, provenant entre autres des facteurs de croissance. Pour donner une idée de l'échelle du phénomène, on peut dire qu'une cellule en division nécessite un taux de synthèse trois fois plus élevé qu'une cellule quiescente.

Il existe aussi d'autres niveaux de régulation de la production de protéines : l'un basé sur la sélection de l'ARNm à traduire (il existe des ARNm disponibles dans le cytoplasme qui sont très peu traduits) et l'autre basé sur la durée de vie, limitée à quelques heures, de l'ARNm. Une production intense de protéines nécessitera donc la synthèse permanente d'ARNm par persistance du processus de transcription. A l'inverse, une cellule limitera la production d'une protéine donnée en interrompant la transcription du gène concerné ou en dégradant rapidement son ARNm (voir figure 17).

Figure 17. Régulation du taux de protéines cellulaires

Figure 17. Régulation du taux de protéines cellulaires

  Partez en excursion : la stabilité de l'ARNm

Sommaire


Repliement des protéines

Une protéine est une chaîne polypeptidique dont le repliement fait apparaître un ou plusieurs domaines, chacun d'entre eux étant constitué d'hélices , de feuillets  et de boucles (voir figure 18). Le processus par lequel cette chaîne acquiert une forme tridimensionnelle correcte de façon à assurer sa fonction biologique, est appelé repliement protéique. Bien que certaines chaînes polypeptidiques se replient spontanément (), d'autres requièrent l'assistance de protéines qualifiées de chaperonnes. De nombreuses chaperonnes portent le nom de heat-shock protein (Hsp), protéines de choc thermique, car fortement exprimées lors de températures élevées (jusqu'à ). Les chaperonnes ont des formes variées mais ont en commun la capacité d'héberger des séquences hydrophobes (séquences riches en glycine, alanine, valine, leucine, thréonine ou isoleucine). Elles « offrent » un refuge temporaire à certaines parties des protéines naissantes. Une fois la chaîne peptidique en formation suffisamment longue pour cacher les sites hydrophobes à l'intérieur de sa structure secondaire, la chaperonne la libère après hydrolyse de l'ATP. La nouvelle protéine peut alors se replier par elle-même.

Figure 18. Conformation d'un domaine protéique

Figure 18. Conformation d'un domaine protéique

Le repliement peut être également déterminé par l'établissement de ponts disulfures entre deux résidus cystéine éloignés l'un de l'autre sur la chaîne protéique. Cette opération ne s'effectue pas dans le cytoplasme mais uniquement dans le réticulum par lequel transitent les protéines membranaires et celles qui sont destinées à l'exportation (exocytose). Ces protéines subissent généralement aussi un processus de glycosylation (maturation protéique) qui sera détaillé dans une autre ressource.

La raison d'être du repliement est la recherche d'une relative stabilité moléculaire, compromis entre rigidité structurale et fonction biologique qui nécessite souvent de petites modifications de conformation (d'une amplitude de l'ordre du nanomètre). Ceci est particulièrement vrai pour les protéines globulaires dont des exemples ont été évoqués précédemment, comme les pompes membranaires, les enzymes et les éléments du cytosquelette, actine, myosine et tubuline. Pour ces protéines, la fixation covalente de phosphate ou la liaison de nucléotides triphosphate (ATP ou GTP) et leur hydrolyse subséquente, détermine leur conformation et par conséquent leur fonction (transport des ions, réactions chimiques, mouvement, polymérisation ou dépolymérisation). En matière de synthèse protéique, un bon exemple de repliement flexible est donné par le facteur d'élongation eEF–1. Ce facteur s'attache à l'ARNt lorsque il est lié au GTP (voir figure 19). Quand la liaison codon - anticodon réussit à l'intérieur du ribosome le GTP est hydrolysé (en GDP et Pi). Il s'ensuit un changement conformationnel qui détache le facteur eEF–1 et rend ainsi accessible le dernier acide aminé sur lequel sera transférée la chaîne polypeptidique en formation (en provenance de l'ARNt fixé sur le site P) (voir figure 19).

Figure 19. Flexibilité de la conformation

Figure 19. Flexibilité de la conformation

  Partez en excursion : repliement des protéines

  Partez en excursion : pathologies dues au repliement défectueux des protéines

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse

Les protéines sont continuellement renouvelées, ce qui implique des processus permanents de synthèse et de dégradation (protéolyse). L'échelle de ces processus est donnée par les chiffres suivants. Deux pour cent () du poids protéique total du corps sont remplacés en une journée (environ 50 g pour un adulte). Les protéines sont dégradées en acides aminés dont sont réutilisés pour une synthèse de novo. sont donc éliminés sous forme d'urée. De ceci, il ressort qu'un apport alimentaire de 200 g de viande, oeufs ou produits laitiers, est nécessaire pour compenser la perte. Le turnover des protéines d'un hépatocyte est de l'ordre de par jour. La différence entre pour l'organisme entier et pour la cellule, réside dans l'énorme différence de turnover entre les protéines. Effectivement, les protéines de la matrice extracellulaire ont une demi-vie de l'ordre de quelques jours et même quelques mois alors que la majorité des enzymes métaboliques ne dure que quelques heures.

La cellule dispose de trois options pour la dégradation de ses protéines, chacune impliquant un jeu spécifique d'enzymes de dégradation (protéases).

  1. dégradation d'une protéine par un protéasome,

  2. dégradation d'une protéine donnée ou d'un organite entier par un lysosome,

  3. autodestruction de la cellule entière par des caspases (phénomène de l'apoptose).

Des mécanismes spécifiques de contrôle sont attachés à chaque option, de manière à éviter les dégradations indésirables. Les protéases sont synthétisées comme précurseurs inactifs (pro-enzymes) qui seront rendus fonctionnels par des modifications post-traductionnelles survenant dans le site cellulaire approprié. Les protéases actives sont contrôlées par des facteurs tels que des inhibiteurs (comme la pepstatine), le pH local ou l'accès au substrat (pore d'entrée du protéasome).

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse
Dégradation d'une protéine par un protéasome

Cette voie de destruction implique l'étiquetage de la protéine à éliminer, par l'addition de molécules d'ubiquitine qui sera elle-même reconnue par un complexe protéolytique, le protéasome.

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation d'une protéine par un protéasome
Processus d'ubiquitination

L'étiquetage consiste en la liaison sur la protéine à détruire de plusieurs unités d'ubiquitine (chaîne de 76 acides aminés, poids moléculaire 8,4 kDa). Ce système est utilisé aussi bien par les archae bactéries, que les levures, les plantes et les animaux. Ce processus d'ubiquitination est effectué par trois complexes enzymatiques différents : E1, ubiquitin-activating enzyme, E2, ubiquitin-conjugating enzyme et E3, ubiquitine-ligase. A ce jour chez l'Homme on a identifié un seul gène pour E1, plusieurs pour E2 et à peu près 300 pour E3. Dans la plupart des cas, E3 se comporte comme un récepteur, qui sélectionne et présente à l'E2, la protéine à détruire. Les nombreuses formes d'E3 ont chacune une affinité spécifique pour une gamme de protéines.

 Classification des ubiquitine ligases

La procédure d'ubiquitination est la suivante : d'abord, en présence d'ATP l'ubiquitine réagit avec E1, formant ainsi un thiolester entre sa glycine C–terminale et un résidu cystéine d'E1 (voir figure 20). L'ubiquitine est ensuite transférée sur E2, réalisant une liaison instable avec une cystéine (dans la figure 20, c'est la cystéine–93). Enfin, l'ubiquitine est transférée sur une lysine du substrat par l'E3 (dans notre exemple de la figure 21, l'E3 est un complexe multiprotéique). Le processus se répète en se servant de la lysine–48 de l'ubiquitine fixée sur le substrat, aboutissant à la formation d'une chaîne d'ubiquitines. Une chaîne d'au moins quatre molécules représente le signal de dégradation.

Figure 20. Réactions d'ubiquitination

Figure 20. Réactions d'ubiquitination

 La règle du N–terminal

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation d'une protéine par un protéasome
Ubiquitination par l'E3–ligase (SCF)

Un exemple d'une E3–ligase du groupe 2, composée de plusieurs sous-unités dont l'une possède un motif RING-finger, est la SCF (Skp1–Cullin1–F–box protein). Son rôle est particulièrement bien étudié dans le contexte de la prolifération cellulaire (cycle de division). Nous illustrons ici en détail l'ubiquitination de la –caténine, un composant du cytosquelette, déjà évoqué dans la ressource « molécules d'adhérence ». La figure 21 montre la composition de la SCF E3–ligase et la chaîne des événements aboutissant à l'ubiquitination de la –caténine. Elle est d'abord phosphorylée sur plusieurs résidus de sa portion N–terminale appartenant à une séquence d'acides aminés qui constitue un « motif de destruction ». La phospho––caténine se fixe ensuite sur le récepteur Trcp qui appartient au complexe E3 ligase et dont le rôle est de présenter le site d'ubiquitination à l'E2–conjugating enzyme (distance minimum requise de 0,3 nm). L'E2 transfère son ubiquitine sur un résidu lysine de la –caténine (K19 ou K29).

Figure 21. Ubiquitination de la beta–caténine par l'ubiquitine E3–ligase (SCF)

Figure 21. Ubiquitination de la beta–caténine par l'ubiquitine E3–ligase (SCF)
[Cliquez sur les loupes pour plus de détail...]

 Prix Nobel pour la découverte du système d'ubiquitination

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation d'une protéine par un protéasome
Le protéasome

Les protéines ubiquitinées sont ensuite reconnues par le protéasome, grand complexe de protéases. Le terme « protéasome » a été forgé par analogie avec le terme ribosome qui est l'organite responsable de sa contrepartie fonctionnelle et avec lequel il rivalise en taille et complexité. Le protéasome est composé de deux grandes unités : 1/ la particule 20 S et 2/ les unités régulatrices PA28 (11 S) ou PA700 (19 S) (voir figure 22).

Figure 22. Composition du protéasome

Figure 22. Composition du protéasome
[Cliquez sur les loupes pour plus de détail...]

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation d'une protéine par un protéasome > Le protéasome
La particule 20 S

La particule 20 S est très bien conservée dans l'échelle phylogénétique, puisqu'on la trouve aussi bien chez les archae bactéries et les levures que chez les mammifères. Le protéasome, présent en plusieurs exemplaires dans le cytoplasme et le nucléoplasme, a la forme d'un cylindre (dimensions de 15 nm de longueur sur 11 nm de diamètre) composé de 28 sous-unités : deux exemplaires d'1 à 7 et de 1 à 7 (voir figure 22). L'activité protéolytique se situe à l'intérieur du cylindre sur trois différentes sous-unités , chacune ciblant un site précis de coupure : après des résidus acides pour 1 (caspase-like), après des résidus basiques pour 2 (trypsin-like) et après des résidus hydrophobes pour 5 (chymotrypsin-like) (voir figure 23 et cliquer sur la loupe pour voir son deuxième plan). L'ensemble permet la dégradation d'une large gamme de protéines. Les sous-unités 3, 4, 6, et 7 ne portent pas d'activité catalytique.

Figure 23. Proteasome ; dégradation de la chaîne polypeptidique

Figure 23. Proteasome ; dégradation de la chaîne polypeptidique
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation d'une protéine par un protéasome > Le protéasome
Activateurs du protéasome (PA)

L'unité régulatrice PA700 a quatre rôles : 1/ elle fixe le substrat (récepteur), 2/ elle facilite le dépliage et le passage de la chaîne polypeptidique vers l'intérieur du protéasome, par son activité ATPasique, 3/ elle enlève les ubiquitines (qui sont recyclées) et finalement 4/ elle active le protéasome par ouverture du pore formé par les sept sous-unités  (voir figure 24). Ainsi la fixation d'une unité régulatrice au complexe 20 S permet l'accès à la chambre catalytique (voir figure 22A) et ceci est également vrai pour PA28. C'est la raison pour laquelle elles sont aussi appelées « Proteasome Activator » (PA28 ou PA700). Par ce mécanisme, la cellule est capable de limiter la dégradation protéique non sélective. PA28, beaucoup moins courant que PA700, ne fixe pas les protéines ubiquitinées et son rôle reste donc à définir.

Figure 24. Fixation puis destruction par le protéasome de la beta-caténine ubiquitinée

Figure 24. Fixation puis destruction par le protéasome de la beta-caténine ubiquitinée

PA700 comprend 20 composants au minimum, appelés Rpn's et Rpt's. Il est divisé en deux parties : a/ la base qui fixe la particule 20 S et qui est constituée d'ATPases type AAA (Rpt1–6) et de non-ATPases (Rpn1, 2 et 3) et b/ le couvercle, composé de non-ATPases Rpn3–14 (voir figure 22B). Rpt est l'acronyme de Regulatory Particle ATPase, Rpn est l'acronyme de Regulatory Particle Non-ATPase. Les différents rôles de Rpts et Rpns dans le fonctionnement du protéasome restent à préciser. On sait cependant que Rpt5 joue le rôle de récepteur aux protéines poly-ubiquitinées. La présence de différentes ATPases démontre que la dégradation protéique est un processus dépendant de l'ATP : en effet, après désubiquitination, par le PA700, la protéine est conduite à l'intérieur du cylindre où elle est découpée en peptides de 7 à 9 résidus. Rappelons que l'hydrolyse de la liaison peptidique n'est pas consommatrice d'ATP, étant elle-même un processus exergonique (qui libère de l'énergie).

  Partez en excursion : l'immunoprotéasome et la présentation des antigènes viraux

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse
Dégradation lysosomale des protéines par les cathepsines

 

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation lysosomale des protéines par les cathepsines
Le lysosome

Le Golgi produit des vésicules (4 à 5 nm de diamètre) remplies d'hydrolases potentiellement capables de digérer tous les composants cellulaires, qu'ils soient endogènes ou entrés par voie d'endocytose (exogène). A ce jour, on connaît environ 40 hydrolases différentes (hydrolases lysosomales) : protéases, lipases, phospholipases, glycosidases et nucléases. Ces vésicules en provenance du Golgi fusionnent avec des endosomes (ou avec un autophagosome) pour progressivement former un lysosome (figure 25).

Le terme lysosome évoque la grande quantité d'enzymes de lyse contenues dans cet organite (du grec lusis « séparer » et soma « corps »).

Les hydrolases sont synthétisées sous forme de précurseurs inactifs, activés eux-mêmes par protéolyse après leur entrée dans l'endosome. Pour s'exprimer, l'activité des hydrolases nécessite un pH bas, de l'ordre de 4 à 5. Ce pH bas est d'ores et déjà atteint dans l'endosome tardif (et le lysosome) grâce à la présence d'une –ATPase (pompe à protons type V (vacuole)). Cette condition semble être une protection supplémentaire pour limiter les destructions consécutives à une libération accidentelle des hydrolases dans le cytoplasme (dont le pH est 7,2).

Figure 25. Gain de lysosomes

Figure 25. Gain de lysosomes

 Voies qui convergent vers le lysosome

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse > Dégradation lysosomale des protéines par les cathepsines
Les cathepsines

Les cathepsines sont des protéases qui tiennent une place importante dans la dégradation des protéines par le lysosome. Elles forment une famille d'au moins onze membres, appelées cathepsine A, C, D, F, H, J, K, L, L2, S et Z. Dans leur portion glucidique, elles portent toutes un mannose–6–phosphate, le « glucide-de-destination » pour les enzymes lysosomales. Elles sont généralement formées de deux chaînes polypeptidiques (clivage post-traductionnel) solidarisées par des ponts disulfures (figure 26). Elle gagnent les lysosomes sous une forme de pro-enzyme et ne deviennent protéases actives qu'après l'élimination de 40 à 50 résidus amino acidiques de leur région N–terminale et l'établissement d'un environnement acide (pH 4-5). Un membre de la famille, la cathepsine D est une aspartyl protéase (comme la pepsine, enzyme digestive), caractérisée par deux résidus aspartate constituant le site actif (voir figure 26 et cliquer sur la loupe pour plus de détails sur cathepsine D). En dehors de son rôle dans l'entretien du contenu protéique des endosomes tardifs, elle joue aussi un rôle capital dans la présentation de peptides au complexe majeur d'histocompatibilité type II (présentation de l'antigène aux cellules compétentes du système immunitaire). Sa production excessive est associée à la dystrophie musculaire et à l'apparition des métastases cancéreuses.

Figure 26. Cathepsine D

Figure 26. Cathepsine D
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

Sommaire


Dégradation des protéines : protéolyse
Dégradation des protéines par les caspases (apoptose)

Les cellules sont pourvues d'un autre type de protéases, surtout cytoplasmiques cette fois, appelées caspases. Elles sont impliquées dans l'exécution de la réponse inflammatoire et particulièrement dans l'application de la « peine de mort » cellulaire, appelée mort cellulaire programmée type I ou apoptose. Les caspases sont ainsi nommées car : a/ le résidu catalytique est une cystéine (comme c'est le cas de la protéase papaïne), b/ elles coupent leurs substrats après un résidu aspartate et c/ ce sont des protéases (voir figure 27). Le génome humain code 11 caspases, classées en quatre groupes selon l'organisation de leurs domaines (voir tableau 1 ci-dessous). En raison de leur sélectivité, les caspases ne causent pas une très large dégradation protéique : en effet, seuls 280 substrats ont été reconnus à ce jour. L'élimination de ces protéines induit les changements morphologiques caractéristiques qui accompagnent la mort cellulaire.

Tableau 1 : catégories de caspases humaines

Prodomaine long (DED, CARD), type caspase initiatrice

caspase 2, 8, 9, 10

Prodomaine court, type caspase effectrice

caspase 3, 6, 7

Prodomaine long (CARD), activateur de cytokine (ICE)

caspase 1, 4, 5

Autres

caspase 14

Selon le mécanisme qui les active et leur place dans la cascade des événements, les caspases se répartissent en deux groupes :

Figure 27. Caspases

Figure 27. Caspases
[Cliquez sur la loupe pour plus de détail...]

La mort cellulaire induite par les caspases n'alerte pas le système immunitaire. En effet, les débris cellulaires sont éliminés par les cellules voisines ou par les phagocytes spécialisés tels que macrophages et neutrophiles. Après phagocytose, les débris sont traités par les enzymes lysosomales. L'apoptose joue un rôle crucial dans la régulation du renouvellement cellulaire et donc indirectement dans la régulation du renouvellement des protéines. Pour illustrer l'importance quantitative du processus, on peut citer l'exemple du lymphome à cellules B. Cette leucémie (augmentation du nombre des globules blancs dans le sang) est la conséquence de la surexpression de la Bcl–2, une des protéines qui protègent la cellule contre l'apoptose.

Sommaire