La synthèse des protéines consomme plus d'énergie d'une cellule que tout autre processus métabolique.

En retour, les protéines représentent plus de masse que tout autre composant des organismes vivants (à l'exception de l'eau), et les protéines remplissent pratiquement toutes les fonctions d'une cellule. Le processus de traduction, ou synthèse des protéines, implique le décodage d'un message d'ARNm en un produit polypeptidique. Les acides aminés sont liés de manière covalente par des liaisons peptidiques entre elles sur des longueurs allant d'environ 50 à plus de 1000 résidus d'acides aminés. Chaque acide aminé individuel possède un groupe aminé (NH2) et un groupe carboxyle (COOH). Les polypeptides sont formés lorsque le groupe amino d'un acide aminé forme une liaison amide (c'est-à-dire peptidique) avec le groupe carboxyle d'un autre acide aminé. Cette réaction est catalysée par les ribosomes et génère une molécule d'eau.

Une liaison peptidique relie l'extrémité carboxyle d'un acide aminé à l'extrémité aminée d'un autre, produisant une molécule d'eau au cours du processus. Pour plus de simplicité, seuls les groupes fonctionnels impliqués dans la liaison peptidique sont représentés sur cette image. Les désignations R et R' font référence au reste de la structure de chaque acide aminé.

Le mécanisme de synthèse des protéines

En plus du modèle d'ARNm, de nombreuses molécules et macromolécules contribuent au processus de traduction. La composition de chaque composant peut varier d'une espèce à l'autre ; par exemple, les ribosomes peuvent être constitués d'un nombre différent d'ARNr et de polypeptides selon l'organisme. Cependant, les structures et les fonctions générales du mécanisme de synthèse des protéines sont comparables des bactéries aux cellules humaines. La traduction nécessite l'entrée d'un modèle d'ARNm, de ribosomes, d'ARNt et de divers facteurs enzymatiques. (Remarque : on peut considérer un ribosome comme une enzyme dont les sites de liaison des acides aminés sont spécifiés par l'ARNm).

Ribosomes

Avant même qu'un ARNm ne soit traduit, une cellule doit investir de l'énergie pour construire chacun de ses ribosomes. Chez E. coli, il y a entre 10 000 et 70 000 ribosomes présents dans chaque cellule à un moment donné. Un ribosome est une macromolécule complexe composée d'ARNr structurels et catalytiques, et de nombreux polypeptides distincts. Chez les eucaryotes, le nucléole est entièrement spécialisé dans la synthèse et l'assemblage des ARNr.

Les ribosomes existent dans le cytoplasme des procaryotes et dans le cytoplasme et le réticulum endoplasmique rugueux des eucaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leurs propres ribosomes dans la matrice et le stroma, qui ressemblent davantage aux ribosomes procaryotes (et présentent des sensibilités aux médicaments similaires) que les ribosomes situés juste à l'extérieur de leurs membranes externes dans le cytoplasme. Les ribosomes se dissocient en petites et grandes sous-unités lorsqu'ils ne synthétisent pas de protéines et se réassocient lors de l'initiation de la traduction. Chez E. coli, la petite sous-unité est décrite comme 30S, et la grande sous-unité est 50S, pour un total de 70S (rappelons que les unités Svedberg ne sont pas additives). Les ribosomes des mammifères ont une petite sous-unité 40S et une grande sous-unité 60S, pour un total de 80S. La petite sous-unité est responsable de la liaison du modèle d'ARNm, tandis que la grande sous-unité lie séquentiellement les ARNt. Chaque molécule d'ARNm est traduite simultanément par de nombreux ribosomes, qui synthétisent tous la protéine dans la même direction : lecture de l'ARNm de 5' à 3' et synthèse du polypeptide de l'extrémité N à l'extrémité C. La structure complète ARNm/poly-ribosome est appelée un polysome.

ARNt

Les ARNt sont des molécules d'ARN de structure qui ont été transcrites à partir de gènes par l'ARN polymérase III. Selon les espèces, 40 à 60 types d'ARNt existent dans le cytoplasme. Les ARN de transfert servent de molécules d'adaptation. Chaque ARNt porte un acide aminé spécifique et reconnaît un ou plusieurs des codons de l'ARNm qui définissent l'ordre des acides aminés dans une protéine. Les ARNt aminoacyles se lient au ribosome et ajoutent l'acide aminé correspondant à la chaîne polypeptidique. Les ARNt sont donc les molécules qui "traduisent" réellement le langage de l'ARN dans le langage des protéines.

Sur les 64 codons ARNm possibles - ou combinaisons de triplets A, U, G et C - trois spécifient la fin de la synthèse des protéines et 61 spécifient l'ajout d'acides aminés à la chaîne polypeptidique. Parmi ces 61, un codon (AUG) code également l'initiation de la traduction. Chaque anticodon de l'ARNt peut s'apparier avec un ou plusieurs codons de l'ARNm pour son acide aminé. Par exemple, si la séquence CUA se produisait sur un modèle d'ARNm dans le cadre de lecture approprié, elle se lierait à un ARNt de leucine exprimant la séquence complémentaire, GAU. La capacité de certains ARNt à correspondre à plus d'un codon est ce qui donne au code génétique sa structure bloquante.

En tant que molécules adaptatrices de la traduction, il est surprenant que les ARNt puissent faire entrer autant de spécificité dans un si petit paquet. Considérons que les ARNt doivent interagir avec trois facteurs : 1) ils doivent être reconnus par la bonne aminoacyl synthétase (voir ci-dessous) ; 2) ils doivent être reconnus par les ribosomes ; et 3) ils doivent se fixer à la bonne séquence dans l'ARNm.

Aminoacyl ARNt synthétases

Le processus de synthèse du pré-ARNt par l'ARN polymérase III ne crée que la partie ARN de la molécule d'adaptation. L'acide aminé correspondant doit être ajouté ultérieurement, une fois que l'ARNt est traité et exporté dans le cytoplasme. Par le processus de "chargement" de l'ARNt, chaque molécule d'ARNt est liée à son acide aminé correct par l'une des enzymes du groupe des aminoacyles synthétases d'ARNt. Il existe au moins un type d'aminoacyl ARNt synthétase pour chacun des 20 acides aminés ; le nombre exact d'aminoacyl ARNt synthétases varie selon les espèces. Ces enzymes se lient d'abord et hydrolysent l'ATP pour catalyser une liaison à haute énergie entre un acide aminé et l'adénosine monophosphate (AMP) ; une molécule de pyrophosphate est expulsée dans cette réaction. L'acide aminé activé est ensuite transféré à l'ARNt, et l'AMP est libérée. Le terme "charge" est approprié, car la liaison à haute énergie qui attache un acide aminé à son ARNt est ensuite utilisée pour stimuler la formation de la liaison peptidique. Chaque ARNt est nommé en fonction de son acide aminé.

Le mécanisme de la synthèse des protéines

Comme pour la synthèse de l'ARNm, la synthèse des protéines peut être divisée en trois phases : initiation, élongation et terminaison. Le processus de traduction est similaire chez les procaryotes et les eucaryotes. Nous allons ici étudier comment la traduction se produit chez E. coli, un procaryote représentatif, et préciser les différences entre la traduction procaryote et eucaryote.

Initiation de la traduction

La synthèse des protéines commence par la formation d'un complexe d'initiation. Chez E. coli, ce complexe implique le petit ribosome 30S, la matrice d'ARNm, trois facteurs d'initiation (IFs ; IF-1, IF-2, et IF-3), et un ARNt initiateur spécial, appelé tRNAMetf.

Dans l'ARNm de E. coli, une séquence en amont du premier codon AUG, appelée séquence Shine-Dalgarno (AGGAGG), interagit avec les molécules d'ARNr qui composent le ribosome. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S au bon endroit sur le modèle d'ARNm. Le guanosine triphosphate (GTP), qui est un nucléotide triphosphate purique, agit comme une source d'énergie pendant la traduction - à la fois au début de l'élongation et pendant la translocation du ribosome. La liaison de l'ARNm au ribosome 30S nécessite également l'IF-III.

L'ARNt initiateur interagit alors avec le codon de départ AUG (ou rarement, GUG). Cet ARNt porte l'acide aminé méthionine, qui est formylé après sa fixation à l'ARNt. La formylation crée un "faux" lien peptidique entre le groupe carboxyle formyle et le groupe amino de la méthionine. La liaison de l'ARNt fMet-tRNAMetf est médiée par le facteur d'initiation IF-2. Le fMet commence chaque chaîne polypeptidique synthétisée par E. coli, mais il est généralement supprimé une fois la traduction terminée. Lorsqu'un AUG dans le cadre est rencontré pendant l'élongation de translation, une méthionine non formylée est insérée par un Met-tRNAMet régulier. Après la formation du complexe d'initiation, la sous-unité ribosomique 30S est rejointe par la sous-unité 50S pour former le complexe de translation. Chez les eucaryotes, un complexe d'initiation similaire se forme, comprenant l'ARNm, la petite sous-unité ribosomique 40S, les IF eucaryotes et les nucléosides triphosphates (GTP et ATP). La méthionine sur l'ARNt initiateur chargé, appelé Met-ARNt, n'est pas formylé. Cependant, le Met-tRNAi se distingue des autres Met-tRNAs en ce qu'il peut se lier aux IFs.

Au lieu de se déposer sur la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe de la 7-méthylguanosine à l'extrémité 5' de l'ARNm. Une protéine de liaison à la coiffe (CBP) et plusieurs autres IF assistent le mouvement du ribosome vers la coiffe 5'. Une fois à la coiffe, le complexe d'initiation suit l'ARNm dans la direction 5' à 3', à la recherche du codon de départ AUG. De nombreux ARNm eucaryotes sont traduits à partir du premier AUG, mais ce n'est pas toujours le cas. Selon les règles de Kozak, les nucléotides autour de AUG indiquent s'il s'agit du bon codon de départ. Les règles de Kozak stipulent que la séquence consensuelle suivante doit apparaître autour du AUG des gènes des vertébrés : 5'-gccRccAUGG-3'. Le R (pour purine) indique un site qui peut être soit A ou G, mais ne peut être ni C ni U. En fait, plus la séquence est proche de ce consensus, plus l'efficacité de la traduction est élevée.

Une fois que l'AUG approprié est identifié, les autres protéines et la CBP se dissocient, et la sous-unité 60S se lie au complexe d'ARNm-i, d'ARNm et de la sous-unité 40S. Cette étape complète l'initiation de la traduction chez les eucaryotes.

Traduction, allongement et terminaison

Chez les procaryotes et les eucaryotes, les bases de l'élongation sont les mêmes, nous allons donc examiner l'élongation du point de vue de E. coli. Lorsque le complexe de traduction est formé, la région de liaison de l'ARNt du ribosome se compose de trois compartiments. Le site A (aminoacyle) se lie aux ARNt aminoacyle chargés entrants. Le site P (peptidyle) se lie aux ARNt chargés portant des acides aminés qui ont formé des liaisons peptidiques avec la chaîne polypeptidique en croissance mais ne se sont pas encore dissociés de leur ARNt correspondant. Le site E (sortie) libère les ARNt dissociés afin qu'ils puissent être rechargés avec des acides aminés libres. L'ARNt méthionyle initiateur, cependant, occupe le site P au début de la phase d'élongation de la traduction chez les procaryotes et les eucaryotes.

Pendant l'allongement de la traduction, le modèle d'ARNm fournit la spécificité de liaison de l'ARNt. Lorsque le ribosome se déplace le long de l'ARNm, chaque codon de l'ARNm entre en registre, et la liaison spécifique avec l'anticodon de l'ARNt chargé correspondant est assurée. Si l'ARNm n'était pas présent dans le complexe d'élongation, le ribosome se lierait aux ARNt de manière non spécifique et aléatoire ( ?).

L'élongation se poursuit avec des ARNt chargés qui entrent et sortent séquentiellement du ribosome à mesure que chaque nouvel acide aminé est ajouté à la chaîne polypeptidique. Le mouvement d'un ARNt du site A au site P au site E est induit par des changements de conformation qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3'. L'énergie pour chaque étape le long du ribosome est donnée par des facteurs d'élongation qui hydrolysent le GTP. L'énergie GTP est nécessaire à la fois pour la liaison d'un nouvel ARNt aminoacyle au site A et pour sa translocation vers le site P après la formation de la liaison peptidique. Les liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site A et le groupe carboxyle de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site P. La formation de chaque liaison peptidique est catalysée par la peptidyl transférase, une enzyme à base d'ARN qui est intégrée dans la sous-unité ribosomique 50S. L'énergie nécessaire à la formation de chaque liaison peptidique est dérivée de la liaison à haute énergie qui relie chaque acide aminé à son ARNt. Après la formation des liaisons peptidiques, l'ARNt du site A qui contient maintenant la chaîne peptidique en croissance se déplace vers le site P, et l'ARNt du site P qui est maintenant vide se déplace vers le site E et est expulsé du ribosome. Étonnamment, l'appareil de traduction de E. coli ne prend que 0,05 seconde pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu'une protéine de 200 acides aminés peut être traduite en seulement 10 secondes.

La traduction commence lorsqu'un anticodon de l'ARNt initiateur reconnaît un codon de départ sur l'ARNm lié à une petite sous-unité ribosomique. La grande sous-unité ribosomique rejoint la petite sous-unité, et un deuxième ARNt est recruté. Lorsque l'ARNm se déplace par rapport au ribosome, des ARNt successifs se déplacent à travers le ribosome et la chaîne polypeptidique est formée. L'entrée d'un facteur de libération dans le site A met fin à la traduction et les composants se dissocient.

La traduction est interrompue lorsqu'un codon absurde (UAA, UAG ou UGA) est rencontré. Lors de l'alignement avec le site A, ces codons non-sens sont reconnus par des facteurs de libération de protéines qui ressemblent à des ARNt. Les facteurs de libération des procaryotes et des eucaryotes donnent à la peptidyl transférase l'instruction d'ajouter une molécule d'eau à l'extrémité carboxyle de l'acide aminé du site P. Cette réaction force l'acide aminé du site P à se détacher de son ARNt, et la protéine nouvellement fabriquée est libérée. Les petites et grandes sous-unités ribosomiques se dissocient de l'ARNm et les unes des autres ; elles sont recrutées presque immédiatement dans un autre complexe d'initiation de la traduction. Une fois que de nombreux ribosomes ont terminé la traduction, l'ARNm est dégradé, de sorte que les nucléotides peuvent être réutilisés dans une autre réaction de transcription.

Pliage, modification et ciblage des protéines

Pendant et après la traduction, les acides aminés individuels peuvent être modifiés chimiquement, des séquences de signaux peuvent être ajoutées et la nouvelle protéine peut être "repliée" en une structure tridimensionnelle distincte à la suite d'interactions intramoléculaires. Une séquence signal est une courte séquence à l'extrémité aminée d'une protéine qui la dirige vers un compartiment cellulaire spécifique. Ces séquences peuvent être considérées comme le "billet de train" de la protéine vers sa destination finale, et sont reconnues par des protéines de reconnaissance de signaux qui agissent comme des conducteurs. Par exemple, un terminus de séquence de signal spécifique dirigera une protéine vers les mitochondries ou les chloroplastes (chez les plantes). Une fois que la protéine atteint sa destination cellulaire, la séquence de signal est généralement coupée.

De nombreuses protéines se replient spontanément, mais certaines ont besoin de molécules auxiliaires, appelées chaperons, pour les empêcher de s'agréger pendant le processus compliqué de repliement. Même si une protéine est correctement spécifiée par son ARNm correspondant, elle pourrait prendre une forme complètement dysfonctionnelle si des conditions de température ou de pH anormales l'empêchent de se replier correctement.

D'après Ribosomes and Protein Synthesis