La traduction : de l'ARN messager à la protéine

Dans le cytoplasme, le ribosome lit l'ARN messager trois lettres à la fois (un codon) et, grâce aux ARN de transfert, accroche un à un les acides aminés qui forment la protéine.

Objectifs

Situer la traduction dans la synthèse des protéines (après la transcription).
Connaître les acteurs de la traduction : ARNm, ribosomes, ARNt, acides aminés, énergie.
Utiliser le code génétique pour traduire une séquence d'ARNm en séquence d'acides aminés.
Décrire les trois étapes : initiation, élongation, terminaison.
Expliquer les conséquences d'une mutation sur la protéine.

1. Où et quand a lieu la traduction ?

La synthèse d'une protéine se fait en deux grandes étapes :

flowchart LR
  A[ADN dans le noyau] -- transcription --> B[ARN messager]
  B -- sortie par les pores nucleaires --> C[Cytoplasme]
  C -- traduction par les ribosomes --> D[Proteine]

La traduction est le passage d'une séquence de nucléotides de l'ARNm (langage à 4 lettres : A, U, G, C) à une séquence d'acides aminés (langage à 20 « lettres ») qui forme une protéine. Elle se déroule dans le cytoplasme, sur les ribosomes.

Dans une cellule eucaryote, où se déroule la traduction ?

Dans le noyau.
Dans le cytoplasme, sur les ribosomes.
Dans la membrane plasmique.

L'ARNm quitte le noyau par les pores nucléaires ; la traduction se fait dans le cytoplasme, sur les ribosomes libres ou fixés au réticulum endoplasmique.

2. Les acteurs de la traduction

L'ARN messager (ARNm) : copie d'un gène, lue dans le sens \(5' \rightarrow 3'\), par groupes de trois nucléotides appelés codons.
Les ribosomes : formés d'une petite et d'une grande sous-unité, ils se déplacent le long de l'ARNm et relient les acides aminés.
Les ARN de transfert (ARNt) : petites molécules en forme de trèfle. Chacun porte d'un côté un acide aminé précis et de l'autre un anticodon, trois nucléotides complémentaires d'un codon.
Les acides aminés : 20 sortes, présents dans le cytoplasme (ils viennent de l'alimentation).
L'énergie (ATP) et des enzymes qui permettent de fixer les acides aminés sur les ARNt et de les relier.

Place les noms sur le schéma d'un ribosome en pleine traduction.

3. Le code génétique

Le code génétique est le système de correspondance entre les codons de l'ARNm et les acides aminés. Avec 4 nucléotides pris 3 par 3, on obtient :

\[ 4^3 = 4 \times 4 \times 4 = 64 \text{ codons} \]

Ses propriétés :

61 codons ont un sens (ils codent un acide aminé) ; 3 codons stop (UAA, UAG, UGA) ne codent aucun acide aminé et arrêtent la traduction.
Le codon AUG est le codon d'initiation : il code la méthionine et marque le début de la lecture.
Il est redondant (on dit aussi dégénéré) : un même acide aminé peut être codé par plusieurs codons (GCU, GCC, GCA et GCG codent tous l'alanine).
Il est univoque (non ambigu) : un codon donné ne code qu'un seul acide aminé.
Il est universel (à de rares exceptions près) : le même code chez les bactéries, les plantes, les animaux et l'Homme.
La lecture se fait sans chevauchement et sans espace, codon après codon, à partir de AUG.

Extrait du code génétique utile pour ce cours :

Codon	Acide aminé	Codon	Acide aminé
AUG	Méthionine (Met), initiation	GAA, GAG	Acide glutamique (Glu)
GCU, GCC, GCA, GCG	Alanine (Ala)	GUA, GUG	Valine (Val)
AAA, AAG	Lysine (Lys)	UUU, UUC	Phénylalanine (Phe)
UGG	Tryptophane (Trp)	GGU, GGC	Glycine (Gly)
CCA, CCU	Proline (Pro)	UAA, UAG, UGA	Stop

Le fait que GAA et GAG codent tous les deux l'acide glutamique montre que le code génétique est…

universel.
univoque.
redondant.

Plusieurs codons différents pour un même acide aminé : c'est la redondance (ou dégénérescence) du code.

4. Les trois étapes de la traduction

Initiation : la petite sous-unité se fixe sur l'ARNm et se place sur le codon AUG ; l'ARNt d'anticodon UAC y apporte la méthionine, puis la grande sous-unité s'assemble.

Élongation : le ribosome avance codon par codon. À chaque codon, l'ARNt portant l'anticodon complémentaire apporte son acide aminé, qui est relié au précédent par une liaison peptidique ; l'ARNt vide repart.

Terminaison : le ribosome arrive sur un codon stop (ici UAA). Aucun ARNt ne lui correspond : la chaîne d'acides aminés est libérée et les deux sous-unités se séparent.

Les acides aminés sont reliés par une liaison peptidique : la chaîne formée s'appelle un polypeptide. Elle se replie ensuite pour donner une protéine fonctionnelle.

Que se passe-t-il quand le ribosome arrive sur le codon UGA ?

La traduction s'arrête et la chaîne est libérée.
Un tryptophane est ajouté.
Le ribosome revient au début de l'ARNm.

UGA est un codon stop : aucun ARNt ne le reconnaît, ce qui déclenche la terminaison.

5. Exemples résolus

Exemple 1 : traduire un ARNm

Traduis l'ARNm suivant en séquence d'acides aminés : 5' AUG GCU AAA UGG GAA UAA 3'. Cherche d'abord avec le tableau.

On repère le codon d'initiation AUG : la lecture commence là. AUG donne la méthionine (Met).

On lit codon par codon : GCU → Ala ; AAA → Lys ; UGG → Trp ; GAA → Glu.

UAA est un codon stop : on s'arrête, il ne donne pas d'acide aminé.

Résultat : Met-Ala-Lys-Trp-Glu, un peptide de 5 acides aminés.

Exemple 2 : de l'ADN à la protéine

Le brin transcrit d'un fragment d'ADN est : 3' TAC CGA TTT ACC CTT ATT 5'. Écris l'ARNm, puis les anticodons des ARNt et la séquence d'acides aminés. Cherche d'abord.

Voir la solution

ARNm (complémentaire du brin transcrit, U à la place de T) : 5' AUG GCU AAA UGG GAA UAA 3'.

Anticodons des ARNt (complémentaires des codons) : UAC, CGA, UUU, ACC, CUU ; aucun ARNt pour UAA.

Séquence d'acides aminés : Met-Ala-Lys-Trp-Glu. On retrouve le résultat de l'exemple 1 : les anticodons ont la même séquence que le brin transcrit d'ADN, avec U à la place de T.

Exemple 3 : une mutation et la drépanocytose

Quelle est la conséquence sur la protéine ? Cherche d'abord.

Avant la mutation : GAG code l'acide glutamique (Glu).

Après la mutation : GUG code la valine (Val).

Un seul acide aminé change dans la chaîne : l'hémoglobine obtenue (hémoglobine S) se comporte autrement et peut déformer les globules rouges en faucille.

Une mutation transforme le codon AAA (Lys) en UAA. Quelle est la conséquence ?

La lysine est remplacée par la valine.
La traduction s'arrête plus tôt : la protéine est raccourcie.
Aucune conséquence, car le code est redondant.

UAA est un codon stop : la chaîne est libérée avant la fin, la protéine est tronquée et souvent non fonctionnelle.

6. Erreurs fréquentes

Quel est l'anticodon de l'ARNt qui reconnaît le codon GCU ?

L'anticodon est complémentaire du codon : G avec C, C avec G, U avec A, d'où CGA. Il n'y a pas de T dans un ARN.

Récapitulatif

La traduction se fait dans le cytoplasme, sur les ribosomes, à partir de l'ARNm.
L'ARNm est lu par codons ; chaque ARNt apporte l'acide aminé correspondant grâce à son anticodon.
Le code génétique compte 64 codons : 61 codent les 20 acides aminés, 3 sont des codons stop ; AUG est le codon d'initiation.
Trois étapes : initiation (sur AUG), élongation (liaisons peptidiques), terminaison (codon stop).
Une mutation peut changer un acide aminé (drépanocytose) ou arrêter la protéine trop tôt.

Codon

Groupe de 3 nucléotides de l'ARNm qui correspond à un acide aminé ou à un signal stop.

Anticodon

Triplet de l'ARNt complémentaire d'un codon de l'ARNm.

Ribosome

Deux sous-unités ; lit l'ARNm et relie les acides aminés par des liaisons peptidiques.

Code génétique

\(4^3 = 64\) codons ; redondant, univoque, universel ; AUG initiation, UAA UAG UGA stop.

Étapes

Initiation, élongation, terminaison.

Polysome

Plusieurs ribosomes qui traduisent en même temps le même ARNm.