Fiche de révision : Traduction et métabolisme énergétique

📋 Plan du Cours

1. Interactions non covalentes biologiques
2. Acides aminés et structure protéique
3. Liaison peptidique et structures secondaires
4. Structures tertiaires et quaternaires
5. Myoglobine et hémoglobine
6. Allostérie et pathologies de l’hémoglobine
7. Structure et organisation de l’ADN
8. Transcription et maturation des ARN
9. Transcription et maturation des ARNr
10. Code génétique et acteurs
11. Étapes de la traduction
12. ATP et couplage énergétique
13. Voies métaboliques et glycolyse
14. Cycle de Krebs
15. Chaîne respiratoire et bilan

📖 1. Interactions non covalentes biologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule polaire : Possède une charge ou une fonction dans laquelle des atomes d’électronégativités différentes sont reliés par une liaison polarisée, ce qui crée une distorsion du nuage électronique.
• Liaison hydrogène : Une interaction polaire dans laquelle un atome d’hydrogène électropositif est partiellement partagé entre deux atomes électronégatifs, les donneurs et accepteurs biologiques étant principalement l’azote et l’oxygène.
• Interactions hydrophobes : Résultent du regroupement des molécules apolaires imposé par l’eau afin de minimiser la rupture de son réseau de liaisons hydrogène.

📝 Points essentiels

• Les quatre types de forces non covalentes sont:
  • les liaisons hydrogène
  • les liaisons ioniques
  • les interactions de van der Waals
  • les interactions hydrophobes

📖 2. Acides aminés et structure protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Possède un carbone α portant un atome d’hydrogène, un groupement carboxylique, un groupement amine et une chaîne latérale R variable caractéristique.
• Ampholyte : Un acide aminé est une espèce amphotère, ou ampholyte, capable de se comporter comme une base ou comme un acide selon le pH grâce à ses couples acido-basiques.

★ À maîtriser

• Il existe 20 acides aminés naturels protéinogènes, répartis en 9 apolaires, 6 polaires neutres et 5 polaires ionisables.

📌 Une fonction ionisable est protonée lorsque le pH est inférieur à son pKa et déprotonée lorsque le pH est supérieur à son pKa.

Compléments

• La glycine est le seul acide aminé optiquement inactif, car sa chaîne latérale R est un hydrogène et son carbone α n’est pas asymétrique.

• La proline possède une amine secondaire engagée dans un cycle pyrrolidine, ce qui rigidifie les chaînes peptidiques et introduit une angulation.

• Deux cystéines peuvent former une cystine par oxydation de leurs fonctions thiol, créant un pont disulfure covalent qui stabilise certaines protéines et peut être rompu par un agent réducteur comme le β-mercaptoéthanol.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 3. Liaison peptidique et structures secondaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison covalente formée par condensation du groupement carboxylique d’un acide aminé avec le groupement amine d’un autre acide aminé, avec libération d’une molécule d’eau.
• Hélice α : Structure secondaire régulière stabilisée par des liaisons hydrogène entre le C=O d’un résidu et le NH du résidu n+4, avec 3,6 acides aminés par tour et un pas de 5,4 Å.

★ À maîtriser

• La liaison peptidique possède un caractère partiel de double liaison qui la rend plane, rigide, polaire et plus courte qu’une liaison C–N classique.

📌 Une chaîne polypeptidique commence par l’extrémité N-terminale portant la fonction amine libre et se termine par l’extrémité C-terminale portant la fonction carboxylique libre.

📌 Les feuillets β antiparallèles sont plus stables et plus fréquents que les feuillets β parallèles, car leur géométrie favorise les liaisons hydrogène et limite l’encombrement stérique.

Compléments

• Les boucles et les coudes sont des structures non régulières qui relient les structures secondaires et se situent généralement vers l’extérieur des protéines, où elles interagissent avec l’eau.

💡 Astuce mémo

Liaison peptidique rigide, angles φ et ψ mobiles

📖 4. Structures tertiaires et quaternaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : L’organisation tridimensionnelle résultant du rapprochement de résidus éloignés dans la séquence primaire et qui confère à la protéine son activité biologique.
• Structure quaternaire : Résulte de l’association de plusieurs sous-unités, généralement par des interactions non covalentes, et peut induire une coopérativité et une régulation allostérique.

★ À maîtriser

• La structure tertiaire est stabilisée par des ponts disulfures entre cystéines ainsi que par des interactions faibles entre segments protéiques.

• Trois hélices gauches de collagène s’enroulent pour former une superhélice droite appelée tropocollagène, qui s’assemble ensuite en fibres ou réseaux de collagène.

Compléments

• Le collagène possède une répétition de tripeptides Gly-X-Y, avec X égal à Pro et Y souvent égal à l’hydroxyproline ou à l’hydroxylysine.

💡 Astuce mémo

Repliement → interactions entre résidus → activité biologique

📖 5. Myoglobine et hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine allostérique : Possède généralement plusieurs sous-unités et plusieurs sites de liaison, de sorte que la fixation d’un ligand sur un site modifie la liaison des autres ligands.

📝 Points essentiels

📌 La myoglobine fixe le dioxygène avec une forte affinité et le stocke dans le muscle, tandis que l’hémoglobine possède une affinité modulable et assure son transport.

• La myoglobine est une protéine globulaire de 153 résidus riche en hélices α, composée de huit hélices nommées A à H et contenant un groupement prosthétique hème.

• Une molécule d’hémoglobine adulte HbA est un tétramère α2β2 contenant quatre hèmes et pouvant fixer quatre molécules de dioxygène.

• La saturation en dioxygène de la myoglobine suit une courbe hyperbolique et sa P50 est de 3 à 5 mm Hg.

• La saturation en dioxygène de l’hémoglobine suit une courbe sigmoïde et sa P50 est de 26 mm Hg, ce qui traduit une affinité plus faible que celle de la myoglobine.

📌 Une diminution du pH de 7,6 à 7,2 diminue l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène, augmente la P50 et déplace la courbe de saturation vers la droite.

💡 Astuce mémo

Myoglobine : stockage à forte affinité ; hémoglobine : transport modulable

📖 6. Allostérie et pathologies de l’hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine allostérique : Protéine qui comporte généralement plusieurs sous-unités, possède plusieurs sites de liaison pour un ou plusieurs ligands et voit la liaison des autres ligands modifiée lorsqu’un ligand se fixe sur un site.

★ À maîtriser

• L’hémoglobine adulte est composée de deux chaînes α et de deux chaînes β identiques deux à deux, selon la structure α2β2, maintenues par des interactions non covalentes.

• L’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène est plus faible que celle de la myoglobine, avec une P50 de 26 mm Hg, et elle est modulée par les ions H+, le CO2 et le DPG.

📌 L’hémoglobine existe sous un état T tendu, défavorable à la coopérativité et de faible affinité pour O2, et un état R relâché, favorable à la coopérativité et de forte affinité pour O2.

• Dans l’hémoglobine fœtale HbF α2γ2, la chaîne γ a une plus faible affinité pour le DPG que la chaîne β de l’hémoglobine adulte HbA, ce qui confère à HbF une plus grande affinité pour le dioxygène.

• La drépanocytose résulte d’une mutation ponctuelle de la chaîne β de l’hémoglobine S, dans laquelle un glutamate est remplacé par une valine.

• Sous forme désoxygénée, les hémoglobines S s’agrègent grâce à une région hydrophobe nouvellement exposée, déforment les hématies en faucille, puis celles-ci sont rapidement détruites.

Compléments

• Le 2,3-diphosphoglycérate, ou DPG, est un intermédiaire de la glycolyse présent dans les hématies à une concentration de 2 mM et se fixe sur l’hémoglobine à un site distinct du site de fixation du dioxygène.

💡 Astuce mémo

État T tendu = faible affinité ; état R relâché = forte coopérativité

📖 7. Structure et organisation de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Composé d’une base azotée, d’un sucre et d’un groupement phosphate.

📝 Points essentiels

• Les bases azotées comprennent:
  • la cytosine
  • la thymine
  • l’uracile
  • l’adénine
  • la guanine

📌 La thymine est exclusivement présente dans l’ADN, tandis que l’uracile est exclusivement présent dans les ARN, la thymine possédant un groupement méthyle à la place d’un hydrogène sur le carbone 5.

📌 L’ADN possède un désoxyribose dépourvu de groupement OH en position 2’, ce qui augmente sa résistance à l’hydrolyse par rapport à l’ARN.

📐 Formule — La température de fusion de l’ADN vérifie $T_m = 4(G+C) + 2(A+T)$.

• Dans la double hélice d’ADN, l’adénine s’apparie à la thymine par deux liaisons hydrogène et la guanine à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

• Le génome haploïde humain contient 3 × 10^9 paires de bases réparties sur 23 chromosomes.

📌 Le génome procaryote est généralement compact, avec plus de 90 % de fraction codante, peu de séquences intergéniques et des gènes organisés en opérons, tandis que le génome eucaryote contient des introns et de grandes séquences intergéniques.

💡 Astuce mémo

Une double hélice : squelette sucre-phosphate dehors, bases appariées dedans

📖 8. Transcription et maturation des ARN

★ À maîtriser

📌 Les ARNm codent les protéines, les ARNr constituent une partie des ribosomes et participent à la synthèse protéique, tandis que les ARNt servent d’adaptateurs entre les ARNm et les acides aminés.

📌 Les ARNm eucaryotes sont monocistroniques et maturés avec une coiffe 5’ et une queue polyA 3’, tandis que les ARNm procaryotes sont polycistroniques et ne possèdent ni coiffe ni polyadénylation.

• Les ARN polymérases eucaryotes synthétisent:

  • Polymérase I : ARNr 5,8S, 18S et 28S
  • Polymérase II : ARNm et certains snARN
  • Polymérase III : ARNr 5S, ARNt et certains snARN

• 🔄 La transcription des ARNm se déroule en trois étapes:

  1. Initiation au niveau du promoteur
  2. Élongation du transcrit
  3. Terminaison

• La boîte TATA est située environ 25 à 30 nucléotides en amont du site d’initiation et est reconnue par la protéine TBP du facteur général de transcription TFIID.

📌 Pendant l’élongation, l’ARN polymérase synthétise l’ARN dans le sens 5’→3’ en lisant le brin antisens matrice dans le sens 3’→5’, à une vitesse d’environ 50 nucléotides par seconde.

• 🔄 La maturation des ARNm comprend:

  1. Ajout de la coiffe 5’
  2. Ajout de la queue polyA 3’
  3. Excision des introns
  4. Épissage des exons

• Lors de l’épissage, le phosphate 5’ de la guanine du site donneur GU est transféré sur l’adénine de branchement, un lasso se forme, puis les deux exons sont reliés et l’intron est libéré sous forme de lasso.

• L’épissage alternatif permet à un même gène de produire des ARNm différents et donc plusieurs protéines isoformes, selon les exons conservés dans chaque cellule ou tissu.

Compléments

• La queue polyA des ARNm eucaryotes contient généralement 100 à 200 résidus d’adénosine ajoutés après le clivage du transcrit environ quinze nucléotides après la boîte polyA AAUAAA.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison → maturation

📖 9. Transcription et maturation des ARNr

📝 Points essentiels

• Les ARNr constituent environ 80 % des ARN cellulaires et sont complexés à des protéines dans les sous-unités ribosomales.

• L’ARN polymérase III synthétise l’ARNr 5S, tandis que l’ARN polymérase I synthétise un précurseur 45S qui est méthylé puis clivé pour produire les ARNr 18S, 5,8S et 28S.

• La grande sous-unité ribosomale 60S contient les ARNr 28S, 5,8S et 5S associés à 49 protéines, tandis que la petite sous-unité 40S contient l’ARNr 18S associé à 33 protéines.

📖 10. Code génétique et acteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Code génétique : Établit la correspondance entre les codons de l’ARNm et les acides aminés.
• ARNt : Adaptateur soluble qui reconnaît un codon de l’ARNm par son anticodon et apporte l’acide aminé correspondant à la traduction.

📝 Points essentiels

• Les quatre propriétés du code génétique sont:

  • Trinucléotidique
  • Dégénéré
  • Universel
  • Colinéaire ou non chevauchant

• Il existe 64 codons pour 20 acides aminés protéinogènes, dont trois codons stop qui ne codent aucun acide aminé, tandis que le codon AUG initie la traduction et code une méthionine.

• Il existe 61 codons codants mais seulement 40 ARNt, car l’appariement flottant ou wobble permet à certains ARNt de reconnaître plusieurs codons synonymes au niveau du troisième nucléotide.

• Les aminoacyl-ARNt synthétases activent chaque acide aminé puis le transfèrent sur l’extrémité 3’ de l’ARNt correspondant pour former un aminoacyl-ARNt.

💡 Astuce mémo

L’ARNt reconnaît le codon, tandis que la synthétase reconnaît l’acide aminé et l’ARNt.

📖 11. Étapes de la traduction

📝 Points essentiels

• Un ribosome eucaryote comprend une petite sous-unité 40S qui lie l’ARNm et les ARNt et une grande sous-unité 60S qui catalyse la formation de la liaison peptidique.

• Les trois sites de liaison aux ARNt sont:

  • Site A : liaison de l’aminoacyl-ARNt
  • Site P : liaison du peptidyl-ARNt
  • Site E : sortie de l’ARNt

• La traduction lit l’ARNm de 5’ vers 3’ et synthétise la protéine de l’extrémité NH2 vers l’extrémité COOH selon trois étapes : initiation, élongation et terminaison.

• Lors de l’initiation, la petite sous-unité reconnaît la coiffe 5’, repère l’AUG dans la séquence de Kozak, y apparie l’ARNt initiateur puis recrute la grande sous-unité.

• Pendant l’élongation, un aminoacyl-ARNt entre au site A, la peptidyl-transférase forme la liaison peptidique, puis le ribosome se déplace d’un codon de 3 nucléotides vers 3’.

• Lors de la terminaison, un facteur eRF reconnaît un codon stop au site A, ce qui provoque la libération de la chaîne polypeptidique et la dissociation des deux sous-unités ribosomales.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison.

📖 12. ATP et couplage énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : Nucléotide énergétique universel dont l’hydrolyse des liaisons anhydride phosphorique libère de l’énergie utilisable par les systèmes biologiques.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’hydrolyse de l’ATP s’écrit $ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i + H^+$ avec $\Delta G = -30\ \mathrm{kJ/mol}$.

📌 Une réaction endergonique de ΔG positif peut devenir spontanée lorsqu’elle est couplée à une réaction exergonique dont la variation totale de ΔG est négative.

Compléments

• La régénération de l’ATP récupère environ 40 % de l’énergie chimique de l’oxydation du carbone organique en CO2 par phosphorylation oxydative.

• Une liaison est dite riche en énergie si sa rupture génère au moins 30 kJ/mol ; les exemples cités sont les anhydrides d’acides, les thioesters, les phosphoamides et les phosphoénols.

💡 Astuce mémo

Hydrolyse de l’ATP → énergie disponible → réalisation de réactions endergoniques couplées.

📖 13. Voies métaboliques et glycolyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycolyse : Voie métabolique cytosolique et anaérobie qui dégrade un glucose en deux pyruvates au cours de dix réactions enzymatiques.

📝 Points essentiels

📌 L’anabolisme synthétise des molécules complexes à partir de molécules simples en consommant de l’énergie, tandis que le catabolisme dégrade les molécules et produit de l’énergie, notamment sous forme d’ATP.

• Les principales voies métaboliques sont localisées ainsi:
  • Cytosol : glycolyse
  • Cytosol : néoglucogenèse
  • Cytosol : métabolisme du glycogène
  • Cytosol : voie des pentoses phosphates
  • Cytosol : fermentation lactique
  • Mitochondrie : β-oxydation
  • Mitochondrie : cycle de Krebs
  • Mitochondrie : chaîne respiratoire
  • Mitochondrie hépatique : cétogenèse

📌 La phase préparatoire de la glycolyse consomme 2 ATP et clive le glucose en deux trioses, tandis que la phase de production restitue l’énergie et forme 2 ATP nets supplémentaires.

📐 Formule — Le bilan global de la glycolyse est $C_6H_{12}O_6 + 2\ NAD^+ + 2\ ADP + 2\ P_i \rightarrow 2\ pyruvates + 2\ NADH + 2\ H^+ + 2\ ATP + 2\ H_2O$.

• Les trois étapes irréversibles de la glycolyse sont catalysées par l’hexokinase à l’étape 1, la phosphofructokinase 1 à l’étape 3 et la pyruvate kinase à l’étape 10.

📌 En absence d’oxygène ou de mitochondries, le pyruvate est réduit en lactate par la lactate déshydrogénase, ce qui régénère le NAD+ et permet à la glycolyse de continuer avec un bilan net de 2 ATP par glucose.

💡 Astuce mémo

Anabolisme : synthèse et consommation d’énergie ; catabolisme : dégradation et production d’énergie.

📖 14. Cycle de Krebs

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle de Krebs : Voie mitochondriale commune d’oxydation terminale des glucides, des acides gras et des acides aminés, qui produit des coenzymes réduits et des précurseurs biosynthétiques.

★ À maîtriser

• L’acétyl-CoA est une molécule carrefour qui transporte deux carbones activés grâce à une liaison thioester riche en énergie et qui se forme notamment à partir du pyruvate, des acides gras et de certains acides aminés.

• Dans le cycle de Krebs, l’acétyl-CoA se condense avec l’oxaloacétate pour former le citrate, puis les réactions successives produisent du CO2, du NADH, du FADH2 et du GTP avant de régénérer l’oxaloacétate.

• Les trois étapes régulées du cycle de Krebs sont les étapes 1, 3 et 4, catalysées respectivement par la citrate synthase, l’isocitrate déshydrogénase et l’α-cétoglutarate déshydrogénase.

Compléments

• Les principaux précurseurs biosynthétiques du cycle sont:
  • Citrate : acides gras et stérols
  • α-cétoglutarate : certains acides aminés et purines
  • Succinyl-CoA : hème
  • Oxaloacétate : glucose, certains acides aminés et pyrimidines

💡 Astuce mémo

L’acétyl-CoA est le carrefour où convergent glucides, lipides et acides aminés.

📖 15. Chaîne respiratoire et bilan

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaîne respiratoire : Ensemble de quatre complexes membranaires et de deux transporteurs mobiles d’électrons situés dans la membrane interne mitochondriale, associés à une ATP synthase.

★ À maîtriser

• La chaîne respiratoire transfère les électrons du NADH et du FADH2 vers l’oxygène, pompe des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire et utilise leur gradient pour synthétiser de l’ATP.

• Selon le bilan présenté, un NADH oxydé au complexe I produit 3 ATP, un FADH2 oxydé au complexe II produit 2 ATP et 1 ATP correspond à environ 3,3 protons.

• L’oxydation complète d’une molécule de glucose produit 36 équivalents ATP avec la navette du glycérol 3-phosphate et 38 équivalents ATP avec la navette malate-aspartate.

Compléments

• L’ubiquinone diffuse dans la membrane interne mitochondriale, tandis que le cytochrome c diffuse dans l’espace intermembranaire et transporte les électrons entre les complexes.

💡 Astuce mémo

Électrons → pompage des protons → gradient → ATP.

📊 Tableaux de synthèse

Myoglobine et hémoglobine

Comparaison des génomes procaryote et eucaryote