Fiche explicative de la leçon: Types d’ARN Biologie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les composants des molécules d’ARN et à faire la différence entre l’ARNt, l’ARNm et l’ARNr.

Lorsque nous avons commencé à apprendre la génétique et la biologie moléculaire, on nous a enseigné que l’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est la molécule de la vie. Grâce au code génétique qui code l’information dans ses séquences, l’ADN contient les instructions nécessaires à la survie de tout être vivant. Cependant, bien que cette molécule soit extrêmement importante, elle ne fonctionne pas toute seule. Pour que l’ADN puisse dicter tous les aspects physiques et fonctionnels de la vie, un autre système très efficace fonctionne en coulisses, piloté par un autre acide nucléique, l’ARN.

L’ARN, ou acide ribonucléique, est essentiel au transport et à l’interprétation de l’information génétique portée par l’ADN, et il joue un rôle clé dans l’exécution des instructions que l’ADN code. Ces minuscules molécules d’ARN ont un impact important sur la survie et les caractéristiques d’une cellule. Grâce à leurs recherches, les scientifiques découvrent sans cesse de nouvelles utilisations de l’ARN, par exemple dans les vaccinations et la thérapie moléculaire.

Avant de nous pencher sur les différents types d’ARN et les fonctions qu’ils exercent, commençons par découvrir la structure d’une molécule d’ARN. Nous examinerons également les différences entre les structures de l’ADN et de l’ARN.

L’ADN et l’ARN sont tous deux des acides nucléiques, composés de chaînes polynucléotidiques. Cela signifie que ce sont de longues chaînes de polymères constituées d’unités répétitives appelées nucléotides. Chaque nucléotide individuel est composé d’un pentose (sucre), d’un groupe phosphate et d’une base azotée, comme illustré en figure 1.

Pour former la longue chaîne de polynucléotides, chaque nucléotide est lié au suivant par une liaison phosphodiester, qui relie le groupe phosphate d’un nucléotide au sucre pentose du suivant.

L’ADN et l’ARN ont des différences fondamentales au niveau de leurs nucléotides. Pour commencer, bien que les nucléotides de l’ADN et l’ARN aient des pentoses, ces molécules de sucre diffèrent légèrement. Par exemple, le pentose dans l’ADN est appelé désoxyribose, alors que dans l’ARN, c’est le ribose. La figure 2 montre les structures de ces deux molécules de sucre.

En quoi ces deux sucres diffèrent-ils ? À la position du carbone, le ribose a un atome d’oxygène, tandis que le désoxyribose n’en a pas. C’est pourquoi la molécule de sucre dans l’ADN est appelée « désoxyribose ». Elle possède un atome d’oxygène de moins qu’une molécule de ribose.

Une autre différence clé entre l’ADN et l’ARN se trouve dans leurs bases azotées. Vous vous souvenez peut-être que, dans l’ADN, il y a quatre bases azotées différentes : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C). Parmi elles, l’adénine et la guanine sont des purines et ont un double cycle, tandis que la thymine et la cytosine sont des pyrimidines et n’ont qu’un seul cycle.

Rappelez-vous aussi que les deux brins d’ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les bases azotées des brins opposés, selon les règles de l’appariement des bases complémentaires : l’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, et la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène.

Les bases azotées de l’ARN sont semblables à celles de l’ADN, à une seule différence près : dans l’ARN, la thymine (T) est remplacée par l’uracile (U). L’uracile appartient également à la famille des pyrimidines, et elle se lie à l’adénine de la même manière que la thymine, par deux liaisons hydrogène. Sur la figure 3, vous pouvez voir les structures des différentes bases azotées.

L’une des toutes premières choses que nous avons apprises sur la structure de l’ADN est sa forme en hélice double brin. Bien que la composition de l’ARN soit très similaire à celle de l’ADN, elle prend généralement la forme d’un seul brin. Cependant, comme il possède des bases azotées, l’ARN peut parfois former des structures double brin par l’appariement de bases complémentaires, comme nous le verrons plus loin dans cette fiche explicative. Vous pouvez voir un diagramme d’une molécule d’ARN simple brin sur la figure 4.

Maintenant que nous avons fait le point sur la structure de l’ARN et ses différences par rapport à l’ADN, nous pouvons passer aux différents types d’ARN et les diverses fonctions qu’ils exercent.

En 1958, Francis Crick, dont les recherches ont contribué à la découverte de la structure à double hélice de l’ADN, a proposé le « dogme central de la biologie moléculaire », qui résume le processus de conversion des instructions codées par l’ADN en protéines fonctionnelles. La figure 5 illustre ce dogme central de la biologie moléculaire. Sous diverses formes, l’ARN participe à l’ensemble du processus, en remplissant divers rôles à chaque étape du dogme central. Mais voyons d’abord rapidement ce que signifie le dogme central.

Les cellules des organismes se divisent pour qu’ils puissent se développer et se reproduire. Afin de s’assurer que chaque nouvelle cellule reçoive une copie de l’information génétique, l’ADN se réplique. C’est le premier processus du dogme central.

La transcription, le deuxième processus, est le mécanisme qui passe de l’ADN à une molécule d’ARN. En générant un brin d’ARN complémentaire à l’ADN, l’information génétique de la cellule peut être transférée du noyau vers l’organite qui synthétise les protéines de la cellule.

La traduction, le processus final du dogme central, consiste à interpréter les informations contenues dans l’ARN. Des organites appelés « ribosomes » servent d’unités de synthèse de protéines.

Maintenant que nous en savons un peu plus sur le dogme central, détaillons chaque étape et analysons au fur et à mesure les fonctions des différents types d’ARN.

Lors de la transcription, une section d’ADN est lue dans le sens vers par une enzyme appelée l’ARN polymérase. Cette enzyme utilise la séquence de nucléotides de l’ADN comme matrice et synthétise un brin complémentaire d’ARN. La figure 6 est un schéma simplifié du processus de transcription.

L’ARN polymérase synthétise l’ARN dans le sens vers , et commence donc la synthèse à l’extrémité de l’ADN, comme le montre la figure 6.

Il existe plusieurs formes différentes d’ARN, qui sont toutes synthétisées de cette même manière. L’ARNm, ou ARN messager, est chargé de transférer les informations génétiques du noyau vers le cytoplasme pour la synthèse des protéines. L’ARNr, ou ARN ribosomique, fait partie intégrante de la structure des ribosomes, tandis que l’ARNt, ou ARN de transfert, sert de vecteur qui apporte des acides aminés pendant le processus de synthèse des protéines. Nous allons en apprendre davantage sur chacun des types d’ARN dans cette fiche explicative.

Curieusement, chez les procaryotes, il n’y a qu’un seul type d’ARN polymérase responsable de la synthèse de toutes ces différentes molécules d’ARN, tandis que chez les eucaryotes, il existe plusieurs types d’ARN polymérases, chacune responsable de la synthèse d’un certain type d’ARN.

Intéressons-nous maintenant aux différents types de molécules d’ARN, en commençant par l’ARNm, ou ARN messager. Lorsqu’un segment d’ADN est transcrit en ARNm, cet ARNm transporte ensuite l’information génétique du noyau au cytoplasme, en apportant les instructions de l’ADN à l’organite de synthèse protéique de la cellule.

En fonction des besoins spécifiques en protéines de la cellule, des segments spécifiques d’ADN, appelés gènes, sont sélectionnés par l’ARN polymérase, transcrits en ARNm, puis convertis en ces protéines spécifiques.

Regardons de plus près la composition d’une molécule d’ARNm sur la figure 7.

Comme mentionné précédemment, nous savons que la prochaine étape du dogme central est la traduction, qui concerne les ribosomes responsables de la synthèse des protéines. Au tout début de la séquence d’ARNm, il y a donc un site de liaison au ribosome, que vous pouvez voir représenté par un cercle bleu sur la figure 7. Pendant la traduction, ce site guide le ribosome afin qu’il se lie au début de la molécule d’ARNm. Ce site correspond à une section du transcrit d’ARNm appelée région non traduite, car cette section sert à réguler le processus de traduction et ne contient aucune information sur la synthèse des protéines. Les régions non traduites du transcrit d’ARNm sont représentées en bleu sur la figure 7.

Nous avons également appris que les acides nucléiques contiennent des informations qui codent pour la synthèse de protéines grâce à la séquence de leurs bases azotées. Les séquences de trois nucléotides forment ce qu’on appelle un codon. L’ordre des codons détermine l’ordre des acides aminés dans la protéine finale. La séquence codante de l’ARNm représentée en jaune sur la figure 7 contient la séquence des codons. Chaque codon code pour un acide aminé spécifique ; par exemple, le codon CAG code pour un acide aminé appelé glutamine.

Il y a aussi des codons qui indiquent au ribosome par où commencer la synthèse des protéines et par où la terminer. On les appelle respectivement les codons d’initiation et de terminaison, ils sont représentés en rouge sur la figure 7. Le codon d’initiation est toujours AUG, mais il y a trois codons de terminaison possibles : UAA, UAG ou UGA. Ces trois codons sont tous capables d’arrêter le processus de synthèse des protéines.

Sur la figure 7, à l’autre extrémité de la molécule d’ARNm, vous remarquerez une séquence répétitive de bases A. C’est ce qu’on appelle la queue poly-A, qui est généralement composée d’environ 200 résidus adénine. Cette queue poly-A contribue à la stabilisation de la molécule d’ARNm, à son transfert hors du noyau, et à la protéger de la dégradation par les enzymes cytoplasmiques.

Si nous voulions représenter l’ARNm de la figure 7 par une séquence de nucléotides, cela ressemblerait à la séquence de la figure 8.

Il est intéressant de noter que, chez les procaryotes, le processus de traduction peut commencer avant même la fin de la transcription. Les ribosomes des cellules procaryotes peuvent débuter la traduction au début d’un brin d’ARNm, même si ce brin n’a pas encore été entièrement synthétisé. Chez les eucaryotes, par contre, la molécule d’ARNm doit d’abord être complètement synthétisée, puis subir certains traitements avant de pouvoir quitter le noyau et transmettre ses informations aux ribosomes pour la synthèse des protéines dans le cytoplasme.

Nous avons beaucoup mentionné les ribosomes dans cette fiche explicative, et nous savons que ce sont des organites qui dirigent la synthèse des protéines. Mais de quoi sont constitués les ribosomes ? 

Les ribosomes sont de petits organites sans membrane qui se trouvent dans le cytoplasme de chaque cellule vivante. Chaque ribosome est composé d’une grande sous-unité et d’une petite sous-unité, comme le montre la figure 9. Ces deux sous-unités existent séparément dans le cytoplasme de la cellule, et s’assemblent lorsqu’elles ont besoin de traduire une séquence d’ARNm. Chaque ribosome est composé d’environ 70 types différents de polypeptides, ainsi que d’un second type d’ARN appelé ARNr, ou ARN ribosomique. Étant donné que l’ARNr est indispensable à la production de toutes les protéines dont l’organisme a besoin, c’est en fait le type d’ARN qui est le plus abondant dans la cellule.

Chez les eucaryotes, les ribosomes sont produits par une petite structure à l’intérieur du noyau appelée le nucléole. Tout comme l’ARNm, l’ARNr est synthétisé par transcription à partir de l’ADN. Cela dit, contrairement à l’ARNm, l’ARNr n’est pas traduit en protéines. Le taux de production de l’ARNr dans le nucléole est de plusieurs centaines de milliers de molécules par heure. En effet, l’ADN eucaryote porte généralement environ 600 copies des gènes nécessaires à la production de l’ARNr. Les polypeptides ribosomiques sont synthétisés dans le cytoplasme, puis se dirigent vers le nucléole à travers l’enveloppe nucléaire. C’est là qu’ils sont assemblés avec l’ARNr en ribosomes.

Jusqu’ici, nous avons vu deux des principaux composants dont une cellule a besoin pour convertir ses informations génétiques en protéines : l’ARNm, qui fournit les instructions, et les ribosomes constitués d’ARNr, qui forment la machine qui assure la traduction. Le seul outil manquant maintenant est une sorte d’adaptateur, capable de lire les codons de la molécule d’ARNm et d’apporter les acides aminés correspondants au ribosome, afin de les attacher ensemble pour former une chaîne qui finira par devenir une protéine fonctionnelle. C’est là que l’ARNt, ou ARN de transfert, entre en jeu.

Tout comme l’ARNr, les molécules d’ARNt sont synthétisées par la transcription d’un segment d’ADN, mais ces molécules ne sont pas traduites en protéines. Les molécules d’ARNt ont la forme caractéristique d’une feuille de trèfle, comme vous pouvez le voir sur la figure 10. Regardons de plus près la structure de cette molécule.

Comme vous pouvez le voir, certaines sections de la molécule d’ARNt se replient sur elles-mêmes et forment des paires de bases. Cela forme des boucles, ou bras, qui donnent à la molécule sa forme de trèfle. Il y a deux endroits importants pour la traduction dans cette structure : l’anticodon et le site de liaison aux acides aminés, comme le montre la figure 10.

Comme mentionné précédemment, la molécule d’ARNt est responsable de l’interprétation ou traduction des codons d’ARNm. Lorsque le ribosome se déplace le long de la molécule d’ARNm au cours de la traduction, chaque codon d’ARNm est associé à une molécule d’ARNt portant trois nucléotides complémentaires, c’est à dire l’anticodon, sur son site anticodon, comme illustré en figure 10.

À l’extrémité ouverte de la molécule d’ARNt, située directement en face du site anticodon, se trouve une séquence de trois nucléotides, CCA, suivie du site de liaison des acides aminés. Chaque molécule d’ARNt n’a qu’un seul type d’anticodon, correspondant à un acide aminé spécifique, attaché à l’extrémité de la molécule d’ARNt.

Nous pouvons maintenant commencer à comprendre le fonctionnement de la traduction. Lorsque l’anticodon d’une molécule d’ARNt correspond au codon d’ARNm, elle apporte son acide aminé au ribosome et se lie à son codon complémentaire sur l’ARNm. L’acide aminé se détache alors de l’ARNt et s’attache à la chaîne peptidique en formation, qui finira par donner la protéine.

Chaque codon dans l’ARNm est lu, et une molécule d’ARNt avec son anticodon complémentaire apporte l’acide aminé correspondant, puis sort du ribosome. Lorsque le ribosome se déplace le long du brin d’ARNm, dans le sens vers , chaque nouvel acide aminé est lié à la chaîne en formation par une liaison peptidique, créant une chaîne polypeptidique. Ce processus est représenté en figure 11. Cela continue jusqu’à ce que le ribosome atteigne le codon de terminaison du brin d’ARNm, ce qui met fin au processus de synthèse des protéines.

La figure 12 récapitule de manière visuelle les différents types d’ARN que nous avons décrits dans cette fiche explicative, ainsi que les principaux processus de transcription et de traduction auxquels ils prennent part.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.