Exercices: L'expression génétique

Expliquer avec vos propres mots ce que signifie qu'une cellule « exprime un gène » et pourquoi le résultat final de cette expression est une protéine.

Observer le schéma d'une cellule eucaryote représentant l'expression d'un gène : les repères ?1 et ?2 indiquent où ont lieu la transcription et la traduction, sans préciser laquelle est laquelle. Indiquer quel processus se déroule en chaque point repéré et à quel endroit de la cellule il se situe.

Qu'est-ce que le code génétique ? Expliquer ce qu'est un codon et combien de bases le composent.

Expliquer ce qu'est une protéine et citer trois fonctions différentes que remplissent les protéines chez les êtres vivants, avec un exemple pour chacune.

Définir la transcription : quelle molécule sert de matrice, quelle molécule est fabriquée et dans quelle partie de la cellule eucaryote elle a lieu.

L'ADN ne quitte jamais le noyau, mais les ribosomes se trouvent dans le cytoplasme. Expliquer quel problème cela pose pour fabriquer des protéines et comment l'ARN messager le résout.

Expliquer ce qu'est un acide aminé et comment une protéine se forme à partir d'eux : qu'est-ce qu'une chaîne polypeptidique et qu'est-ce qui détermine l'ordre dans lequel les acides aminés sont reliés.

Pendant la transcription, chaque base du brin matrice de l'ADN détermine quelle base portera l'ARNm. Indiquer quelle base l'ARNm placera en face d'un A, d'un T, d'un G et d'un C de la matrice, en rappelant qu'il n'y a pas de thymine dans l'ARN.

Établir deux différences entre la transcription et la traduction : la molécule fabriquée dans chaque processus et le lieu où il se déroule.

Le brin matrice d'un gène a pour séquence 3'-TAC GGA TTT-5'. Écrire la séquence de l'ARN messager synthétisé à partir de celui-ci, en tenant compte du fait que, dans l'ARN, la thymine est remplacée par l'uracile.

Expliquer le rôle du ribosome et de l'ARN de transfert (ARNt) pendant la traduction : où se fixe chacun et que transporte l'ARNt ?

Un ARN messager porte la séquence 5'-AUG GCU CAA-3'. Reconstituer la séquence du brin matrice d'ADN à partir duquel il a été transcrit, en indiquant son orientation.

Ces étapes de l'expression d'un gène sont dans le désordre : la protéine est achevée ; l'ARNm sort du noyau ; l'ARNm se fixe à un ribosome ; l'ADN est transcrit. Les remettre dans l'ordre et les décrire en une phrase chacune.

La transcription et la réplication se ressemblent car, dans les deux cas, un brin d'ADN est « lu » et une molécule complémentaire est fabriquée. Expliquer deux différences fondamentales entre ces deux processus : ce qui est copié dans chaque cas et quelle molécule est obtenue.

L'insuline est une protéine de $51$ acides aminés. Sachant que l'ARNm nécessite aussi un codon stop, calculer combien de nucléotides compte au minimum la partie codante de son ARNm et expliquer le calcul.

Le ribosome lit l'ARNm en codons consécutifs, sans sauter de bases. Expliquer ce qui arrive à tous les codons qui suivent un point où une base supplémentaire a été insérée, et pourquoi on dit que le « cadre de lecture est décalé ».

On analyse deux patients présentant des mutations ponctuelles dans le même codon de leur ARNm mature, qui était à l'origine GAA (code l'acide glutamique) :

• Chez le patient A, le codon mute en GAG (code l'acide glutamique).

• Chez le patient B, il mute en GUA (code la valine).

1. a) En s'appuyant sur les propriétés du code génétique, justifier pourquoi le patient A ne présente aucune anomalie alors que le patient B présente une enzyme non fonctionnelle.
2. b) Une « mutation silencieuse » comme celle du patient A pourrait-elle exister si le code génétique n'était pas dégénéré ? Justifier la réponse en déduisant les conséquences des mutations dans un code hypothétique avec un seul codon par acide aminé.

Une bactérie synthétise un oligopeptide à partir du fragment d'ARNm mature suivant :

5'-... AUG GCC UUU UAA ...-3'

Un agent mutagène provoque la délétion (perte) du premier nucléotide du codon GCC (la première cytosine), ce qui donne la séquence : 5'-... AUG GCU UUU AA...-3'.

Sachant que :

• AUG = méthionine (initiation)

• GCC = alanine ; GCU = alanine ; UUU = phénylalanine ; UUA = leucine

• UAA = stop (terminaison)

1. a) Écrire la séquence d'acides aminés obtenue avant et après la mutation.
2. b) Justifier pourquoi une mutation par décalage du cadre de lecture (délétion ou insertion) a généralement des conséquences bien plus graves pour la fonction d'une protéine qu'une mutation par substitution d'une seule base.

Un élève affirme : « Puisqu'un neurone et une cellule de la peau ont des fonctions et des formes complètement différentes, leurs molécules d'ADN doivent être différentes ; par exemple, le neurone a éliminé les gènes des protéines de la peau dont il n'a pas besoin. »

1. a) Réfuter l'affirmation de l'élève en expliquant ce que l'on trouverait réellement si l'on séquençait l'ADN génomique des deux types cellulaires.
2. b) Si l'ADN est identique, prévoir et justifier quelles différences on s'attendrait à trouver en analysant les types d'ARNm et de protéines présents dans le cytoplasme des deux cellules.

On imagine une cellule mutante hypothétique dans laquelle la molécule d'ARNm n'existe pas : les ribosomes pénètrent directement dans le noyau et traduisent les protéines en lisant directement la double hélice d'ADN.

Évaluer cette situation en présentant deux inconvénients biologiques graves de ce mécanisme : l'un lié à l'intégrité et à la protection du matériel génétique, et l'autre lié à la rapidité de réponse et à la capacité d'amplification lorsque la cellule doit produire des milliers de copies d'une protéine en peu de temps.

Sur des micrographies électroniques de bactéries, on observe fréquemment que plusieurs ribosomes se fixent à l'ARNm et commencent à le traduire alors que l'ARN polymérase est encore en train de transcrire ce même ARNm à partir de l'ADN.

1. a) Justifier pourquoi ce couplage simultané de la transcription et de la traduction est impossible dans une cellule humaine.
2. b) Si l'on clone un gène humain directement dans une bactérie tel qu'il est extrait du noyau humain (avec ses exons et ses introns), la bactérie est incapable de produire la protéine correcte. Expliquer à quoi tient cet échec et quelle étape de la maturation de l'ARN fait défaut à la bactérie.

Une enzyme digestive humaine a son activité optimale à 37 °C. Si on la chauffe à 60 °C pendant cinq minutes puis qu'on la refroidit à nouveau à 37 °C, elle perd complètement son activité enzymatique et ne la retrouve pas. En revanche, si on la congèle à -20 °C puis qu'on la décongèle à 37 °C, elle continue à fonctionner tout à fait normalement.

1. a) Justifier à l'échelle moléculaire la différence observée entre chauffer et congeler l'enzyme, en expliquant ce qui arrive à sa structure tridimensionnelle et à son site actif dans chaque cas.
2. b) Pourquoi la perte de la structure tertiaire empêche-t-elle l'enzyme de reconnaître son substrat ?

Grâce au génie génétique, il est possible d'introduire le gène de l'insuline humaine dans la bactérie Escherichia coli et de faire en sorte que cette bactérie fabrique une insuline identique à la nôtre.

1. a) Quelle caractéristique fondamentale du code génétique permet à une bactérie d'interpréter correctement les instructions d'un gène humain ? Justifier quelle conclusion évolutive sur l'origine commune de tous les êtres vivants on tire de ce fait.
2. b) On imagine que le code génétique ne présente pas cette caractéristique et qu'il soit propre à chaque espèce. Que se passerait-il en introduisant le gène humain dans la bactérie ? Justifier la déduction.

Le gène de la chaîne bêta de l'hémoglobine humaine dans l'ADN nucléaire mesure 1600 paires de bases, mais la protéine mature ne contient que 146 acides aminés (la méthionine initiale est éliminée après la traduction).

1. a) Calculer combien de nucléotides de l'ARNm mature codent strictement cette chaîne polypeptidique (codon d'initiation et codon stop inclus).
2. b) Justifier à quoi tient la grande différence de longueur entre le gène d'origine de 1600 paires de bases et le nombre de nucléotides que vous avez calculé.
3. c) Le génome humain contient environ 20 000 gènes, mais nos cellules produisent plus de 90 000 protéines différentes. Expliquer par quel mécanisme de maturation de l'ARNm il est possible de générer plusieurs protéines distinctes à partir d'un seul gène.