Le rayonnement radioactif

Nous nous sommes rendus compte que dans notre projet, il manquait une explication de POURQUOI certaines personnes avaient un gène muté qui les rendait sensible au PTC. Ici nous étudions un facteur extérieur qui peut entraîner des mutations, les rayonnements radioactifs.

I. Effets biologiques

On distingue deux types d’effets biologiques dues au rayonnement radioactif sur l’organisme:

• Les effets déterministes

Ces effets sont liés au dépassement d’un certain seuil d’absorption des rayonnements, et sont généralement prévisibles, et sont proportionnels à la dose.

Au niveau moléculaire, les rayonnements entraînent des ruptures de la molécule d’ADN au sein du noyau cellulaire (cf. schéma ci-contre) .

La cellule possède des mécanismes de réparation, mais lorsque ces mécanismes ne sont pas suffisants face à la force du rayonnement, la cellule peut mourir. Cette mort massive des cellules ne peut pas être compensée par le renouvellement des cellules. Au niveau macroscopique, cela se traduit par des effets sur la peau, car c’est le premier tissu à subir les rayonnements. Suivant l’exposition (du moins au plus important), on a une dépilation (1-3 Joules/kg), des oedèmes (12-15 J/kg), une nécrose (25-30 J/kg), pour une exposition localisée.

Pour une exposition généralisée (tout le corps), “la dose létale 50” (étant la dose tuant 50 % des sujets exposés au rayonnement au bout de 60 jours si aucun traitement n’est administré), est fixée à 5 J/kg (ou 5 gray). Au delà de 10 grays, la mort est pratiquement certaine.

Lors d’une exposition des testicules à plus de 3,5 gray, la stérilité permanente s’ensuit.  Dans le cas des ovaires une exposition à 2,5 gray ou plus suffit à provoquer la stérilité permanente.

• Les effets stochastiques (ou aléatoires)

Ces effets se distinguent des effets déterministes par le fait qu’ils sont aléatoires. En effet la sévérité de ces effets est indépendante de la dose, et leur prédiction avec certitude est impossible. Les effets stochastiques sont le résultat de la survie, puis de la réplication de cellules mutées, qui sont passées à travers les mécanismes de réparation cellulaire. Ainsi, de nombreux effets stochastiques sont le résultat d’une faible dose d’irradiation. Lorsqu’une cellule mutée se multiplie, et que les mécanismes de mort programmée de la cellule sont inhibés (apoptose) on assiste à l’apparition de cancers. C’est ainsi que des cancers du poumon, de la thyroïde, peuvent se déclarer jusqu’à quarante ans après la contamination. On estime que le risque de cancer augmente de 1% tous les 100 milli – sievert.

Les effets stochastiques peuvent aussi affecter la progéniture des personnes contaminées. L’exposition d’un oeuf fécondé avant le neuvième jour aux rayonnements peut entraîner la mort de l’oeuf, à cause de sa sensibilité très grande aux radiations. Un embryon peut aussi subir les effets d’une exposition aux rayonnements: pendant l’organogénèse (4e à 8e semaine de grossesse). Le foetus est également vulnérable pendant la formation du système nerveux (8e à 16e semaine). Une exposition peut entraîner malformations et retards mentaux.

Enfin, il existe un risque faible mais réel d’atteinte à l’enfant via la mutation d’un gamète chez les parents. Ceci entraîne des mutations chez l’enfant. Cependant, ce risque demeure faible pour la raison suivante: une cellule germinale mutée a peu de chances d’être fécondée. Cette contamination peut cependant mener à la mort de l’embryon.

II. Applications de la radioactivité 

Les rayonnements peuvent être utilisés :

→ comme outils de suivi : des marqueurs (atomes radioactifs) étant introduits dans un milieu, il est ensuite aisé de détecter les rayonnements qu’ils émettent et de suivre leur devenir (applications en médecine, sciences, chaîne alimentaire, environnement …),

→ en imagerie : l’atténuation d’un faisceau lors de sa traversée de la matière dépend des matériaux traversés et de leurs épaisseurs (investigations en médecine,sciences, industrie…),

→ en traitement : l’énergie déposée par les rayonnements dans la matière vivante peut être importante et détruire les organismes (traitement des tumeurs, destruction des bactéries, stérilisation….).

Dans la Médecine:

Les rayonnements radioactifs sont très utiles dans le monde de la médecine. En effet, ils sont utilisés pour l’imagerie médicale ainsi que pour les traitements des cancers et pour la stérilisation.

Concernant l’imagerie médicale, les photons sont utilisés pour les rayons X grâce à l’utilisation de photons. Les rayons X sont utilisés dans les hôpitaux pour la radiographie ou les scanners ainsi que dans les aéroports pour scanner les bagages. Donc les rayons X servent à traverser la matière, les photons qui sont les parties composantes de la lumière se réfléchissent sur les objets se trouvant dans un sac à l’aéroport ou bien sur les os ou parties du corps humain ou encore pour avoir des coupes de corps humain. Il y a aussi des traceurs qui sont insérés directement dans le corps comme par exemple dans le système digestif et qui sont observés par les médecins pour vérifier le bon fonctionnement du système digestif car les traceurs ont un rayonnement qui permet de détecter leur répartition. Ces traceurs sont le plus généralement des glucoses comme le FluoroDesoxyGlucose marqué au fluor 18 (FDG).

Les rayonnements radioactifs sont aussi utilisés pour la lutte contre le cancer. Les rayons sont utilisés afin de détruire les cellules malades qui ne sont plus capable de s’auto régénérer. La chimiothérapie est une thérapie sur longue durée qui comporte de nombreuses séances à des périodes espacées et qui  consiste à irradier les cellules cancéreuses qui vont finir par être détruites. Les cellules saines seront également affectées mais parviendront à se régénérer grâce à la faible dose de radioactivité auxquelles elles auront étés exposées. C’est aussi le fonctionnement de la radiothérapie comme nous pouvons voir sur le schéma ci dessous:

Pour la radiothérapie, les rayons sont administrés tous les jours a petite dose, ainsi les cellules saines peuvent se régénérer d’un jour à l’autre alors que les cellules cancéreuses en seront incapables.

Enfin, les rayons radioactifs sont aussi utilisés pour désinfecter et stériliser des matériaux sans avoir à les chauffer. C’est donc une manière très utilisée notamment pour les instruments chirurgicaux qui sont traités directements dans leurs emballages afin d’avoir une stérilisation la plus totale. L’irradiation permet d’éliminer les moisissures, les insectes, les larves et les bactéries.

Dans la conservation:

La radioactivité est également utilisée pour dater des objets anciens, des squelettes ou des fossiles.

Le gaz carbonique présent dans l’atmosphère contient du carbone 12 stable et une très faible proportion de carbone 14 radioactif, formé continuellement par le rayonnement cosmique. Le gaz carbonique est échangé en permanence entre l’atmosphère et le monde vivant. Dès qu’un organisme meurt, le carbone 14 n’est plus renouvelé. Comme cet isotope se désintègre, sa proportion par rapport au carbone 12 se met alors à baisser. Moins il reste de carbone 14 dans l’échantillon à dater et plus il est ancien. Le carbone 14 est particulièrement utilisé pour déterminer l’âge d’objets de moins de 40 000 ans.

Après 5000 ans le rapport entre le carbone 14 et le carbone 12 n’est plus que la moitié de ce qu’il est dans l’atmosphère. Après 10000 ans, il n’est plus que ¼.

Dans l’Agriculture:

Les techniques de radiation sont souvent utilisées dans le domaine de l’agriculture. Par exemple, plusieurs installations d’accélérations d’électrons ont été mise en place en France afin d’irradier les fruits et légumes. L’ionisation des aliments a pour but de les conserver plus longtemps, et permet de détruire des parasites présents dans les stockages d’aliments.

La photo ci dessus permet une comparaison de l’état d’oignons non irradiés et irradiés à une dose de40 à 60 grays.

Source : https://www.csnsm.in2p3.fr/IMG/pdf/radioactivite-2007-applications-web.pdf

Dans le secteur du nucléaire:

• La Fission Nucléaire

 

La fission nucléaire est une autre forme de radioactivité, et consiste en la division de noyaux très lourds en 2 morceaux, laissant échapper des neutrons. Cette rupture produit des rayonnements alpha, beta et gamma. Ainsi s’ensuit une réaction en chaine, les neutrons échappés vont eux aussi être brisés en deux, et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne produit une extrême quantité d’énergie et peut devenir explosive, c’est le cas des armes nucléaires. Mais cette fission est rarement spontanée. Afin de la déclencher, il suffit d’un petit apport d’énergie, par choc avec un neutron (par exemple).

Ce système de production d’énergie est le même que celui présent dans un combustible nucléaire.

A chaque fission, une énergie cinétique est produite. Une fois qu’elle entre en contact par la matière environnante, elle est freinée et se transforme en chaleur. Les pastilles servent à contrôler la réaction en chaîne. En conséquence : la pastille chauffe et conduit la chaleur vers le haut, vers la gaine, puis vers de l’eau pressurisée qui va bouillir. cela entraîne la création de vapeurs d’eau. De l’électricité est produite par l’usage de turbines et d’un alternateur.

Flux neutronique dans le coeur d’un réacteur

La première utilisation de la fission nucléaire a été pour les armes nucléaires envoyées sur Hiroshima et Nagasaki au Japon en 1945.

Sources :

https://www.csnsm.in2p3.fr/IMG/pdf/radioactivite-2007-applications-web.pdf

http://www.cea.fr/comprendre/Pages/energie-nucleaire.aspx

• La Fusion Nucléaire

Le processus de fusion consiste en la fusion de deux noyaux pour n’en former qu’un seul en libérant de l’énergie. Ce processus se déroule au coeur des étoiles, dégageant de grandes quantités d’energie, Contrairement à la fission qui concerne des noyaux lourds, la fusion necessite des noyaux legers.  La matière nécessaire à la fusion, est illimitée sur terre.  Afin de pouvoir mettre en oeuvre ce système de production d’énergie, il faut être capable de recréer l’environnement physique du coeur d’une étoile, afin de contrôler cette énergie. Autrement dit, il faut être capable d’atteindre les 150 millions de degrés celsius. Dans ces conditions, la matière se présente sous forme de plasma.

A la fin des années 1960, des scientifiques Russes sont parvenus à développer un système de confinement de plasma, par l’utilisation de champs magnétiques intenses. Cette machine s’appelle le “tokamak”.

Ce projet est une alternative aux énergies fossiles carbonées, qui sont les sources principales de pollution.

Sources :

http://www.cea.fr/multimedia/Documents/infographies/tokamak-defisCEA.pdf

https://www.csnsm.in2p3.fr/IMG/pdf/radioactivite-2007-applications-web.pdf

 

III. Précautions à prendre lors de la manipulation ou lorsqu’on cherche à s’en protéger

Nous sommes en permanence exposés aux rayonnements radioactifs. Cette exposition peut être interne si elle est situé à l’intérieur du corps, ou externe si elle est à l’extérieur. Généralement on peut se protéger des rayons radioactifs en :

• augmentant la distance entre nous et la source

La distance est inversement proportionnelle à la puissance des rayonnements et réduit considérablement notre exposition.

 

• diminuant la durée d’exposition

Moins on est exposé aux rayonnements, plus notre dose de rayonnement reçue est faible.

• utilisant des écrans protecteurs

Selon le type de rayonnement, le pouvoir de pénétration varie, il faut donc de différents types de matériaux d’épaisseurs différentes pour s’en protéger. En interposant un ou plusieurs écrans qui empêchent les rayonnements de les traverser entre la source de radioactivité et les personnes, on peut retirer l’exposition de ces personnes.

Une manipulation sans précautions peut engendrer une irradiation externe et même une contamination si la substance radioactive s’est dispersée.

Plus généralement, le principe ALARA “As low as reasonably achievable” lors de la manipulation de matériaux radioactifs. Celui ci vise à ce que l’exposition aux radiations soient au plus faible qu’elle puisse l’être.

On peut aussi porter un dosimètre lors de ces expériences, pour contrôler le niveau de radiations auxquelles on s’expose.

** les deux derniers schémas en noir et blanc proviennent du site : https://www.ssp.ulaval.ca/wp-content/uploads/2015/07/Formation-radioprotection_utilisateurs-de-matieres-radioactives_2015-05.pdf

 

JOUR 5: Dernière Séance!

Aujourd’hui, nous avons démontré par la génétique, pourquoi certains individus n’aimaient pas le brocoli. Nous avons déterminé si les phénotypes de Nicolas et Anissa (par rapport à leur sensibilité au PTC) étaient en accord avec leur génotype. Pour cela nous avons procédé en 4 étapes :

 

1. Extraction de l’ADN
2. Amplification de l’ADN par la PCR
3. Digestion de l’ADN
4. Electrophorèse

 

1 – Extraction d’ADN buccal :

Cette première étape nous a permit de récupérer l’ADN présent dans nos cellules buccales. Pour ce faire, nous avons collecté nos cellules buccales en grattant l’intérieur de nos bouches avec un cure-dent et avons disposé ces cellules dans des microtubes (eppendorf) de 200μL de contenance . Une fois dans ces tubes nous avons rajouté 50μL de «X-Tract DNA Extraction Buffer » qui a permit de libérer l’ADN bloqué dans les cellules buccales. Ce Extraction Buffer casse les membranes des cellules sous haute température (10 min à 95°C dans la machine miniPCR).

Pour ajouter les micro quantités nous avons utilisé une micropipette.

Ces micro-pipettes sont utilisées pour prélever et déposer des micro quantités dans des microtubes.

Ajout des enzymes de restriction au microbe contenant notre ADN

2 – PCR :

La PCR est une technique qui permet de recopier à l’identique un fragment d’ADN, en répétant 3 cycles : la dénaturation à 94°; l’hybridation à 58°; et l’extension à 72°.

La dénaturation de l’ADN consiste en la rupture des liaisons hydrogène à cause de la température entre chaque base nucléotidique des deux chaînes complémentaires de l’ADN. Ainsi, le double brin devient deux monobrin. S’ensuit donc la deuxième étape : l’hybridation. Les amorces de la solution (de courtes séquences de à peu près 20 nucléotides) se placent en amont et en aval des deux monobrins auxquels ils sont complémentaires. Lors de l’extension, la taq polymérase (un ADN polymérase qui a la propriété de résister à de très hautes températures, telle que 95°) re-forme les brins d’ADN à partir de nucléotides libres, ce qui permet l’élongation des amorces, et des nouveaux doubles brins en formation. Ainsi de suite, 30 fois.

Voici un schéma bilan de la PCR avec une séquence d’ADN quelconque.

Nous avons mis nos microtubes dans une machine appelée mini PCR qui permet de réaliser l’ensemble du PCR. Nos microtubes contenaient :

• 3 microlitres de l’ADN extrait
• 12.5 microlitres de solution contenant les amorces
• 12.5 microlitres de solution contenant les nucléotides libres et la Taq polymérase

Il suffisait d’entrer quelques paramètres (comme l’on peut voir dans la capture d’écran) et d’attendre 90 minutes, et notre ADN s’était multiplié. À la fin de la PCR, le microtube contenait donc 2^30 fois la quantité d’ADN initiale.

 

3 – Digestion de l’ADN :

La digestion de l’ADN est l’étape clé du processus. Elle nous permet de différencier la séquence d’ADN d’une personne sensible au PTC à celle d’une personne non sensible. C’est grâce aux enzymes de restriction qui “découpent” l’ADN à la lecture d’une certaine séquence. Il s’agit donc d’utiliser des enzymes de restriction qui découpent l’ADN d’un allèle sensible, mais pas celui d’un allèle non sensible (ou inversement), à cause d’une certaine mutation.

Pour cette expérience, on a utilisé l’enzyme de restriction Satl (Fnu4Hl). Celle ci découpe à la séquence “GCNGC” (N étant un nucléotide quelconque). Ici, le N était un nucléotide T. On a donc ajouté 1 μL d’une solution contenant ces enzymes aux 14 μL de l’ADN que nous avions amplifié. Pendant 15 minutes, nous avons mis ces tubes dans la machine à PCR pour qu’ils soient à 37° (la température du corps humain à laquelle ils travaillent habituellement).

Or, dans la séquence d’ADN d’un individu sensible au PTC, un nucléotide T est substitué par un nucléotide C en position 785 (sauf qu’ici on travaillait avec des séquences plus petites, de 250 nucléotides de long, donc c’était en position 150). La réaction suivante a eu lieu :

L’enzyme découpe l’allèle sensible en 2 fragments de restriction, le premier d’une longueur de 150 paires de base, et le deuxième de 100 paires de base. L’allèle non sensible n’est pas découpé, donc garde sa longueur de 250 paires de base.

 

4 – L’Electrophorèse :

Les groupements phosphate présents sur l’extérieur de la molécule d’ADN  sont chargés négativement, ainsi, une force d’attraction a lieu entre l’ADN et un élément positif. C’est pourquoi, lors de l’électrophorèse, l’ADN migre vers le pôle positif. Or, la vitesse à laquelle l’ADN migre est proportionnelle à la taille du fragment. Les fragments les plus longs migrent moins vite que les plus petits. On obtient donc une échelle de fragments sur la plaque d’électrophorèse, ce qui permet de déterminer l’allèle (en fonction du nombre et de la longueur des fragments effectuées auparavant grâce à l’enzyme de restriction). L’utilisation d’un ADN étalon peut s’averer utile dans la mesure où elle permet de déterminer la taille des fragments

L’électrophorèse se déroule selon les étapes suivantes:

1. Dépôt de l’ADN et l’ADN étalon (préférablement au milieu) dans les puits de dépôt à l’aide d’une micropipette, en veillant bien à ne pas percer le gel.
2. Allumage des électrodes. Éteindre les lumières et allumer la lampe UV de la cuve d’électrophorèse afin de pouvoir observer la migration.
3. Arrêter l’électrophorèse quand tous les fragments sont bien distancés et visibles, puis interpréter.

(Note: il existe un décalage entre l’ADN étalon et les nucléotides, marqué par les pointillés roses sur la photo légendée)

Echelle de l’ADN étalon

Interprétation :

On voit que l’ADN de Nicolas et d’Anissa sont tous les deux découpés en trois fragments. Grâce à l’échelle de l’ADN étalon, on déduit que les fragments d’ADN de Nicolas et Anissa sont constitués de fragments de restriction de 150, 100 et 250 paires de base. On en déduit donc que nos cobayes sont hétérozygotes (possèdent deux allèles différents du même gène), car l’enzyme de restriction Satl a coupé une seule fois. Cela signifie qu’ils ont un gène sensible (qui est coupé par l’enzyme) et un gène non sensible (qui n’est pas coupé).

Or, le premier jour, Nicolas et Anissa avaient ressenti l’amertume pendant le test à la bandelette, et sont donc de phénotype sensible au PTC. On peut en déduire que l’allèle sensible au PTC est dominante ce qui explique pourquoi ils sont sensible à l’amertume. Leur phénotype est donc en accord avec leur génotype.

 

Au cours de ce projet nous avons donc réussi à montrer par la génétique pourquoi Anissa et Nicolas n’aimaient pas trop les brocolis. À bientôt pour prouver pourquoi ils n’aiment pas les épinards, les choux-fleurs, et les haricots-verts !

 

Anissa, Elie, Flavie et Nicolas

JOUR 4 : La Synthèse des protéines !

Aujourd’hui nous nous interrogerons sur la synthèse des protéines et comment cela nous montre la différence entre les individus sensibles au PTC et ceux non sensibles.

Pour cela nous verrons comment les protéines sont synthétisées!

Revoyons d’abord les définitions:

ADN: L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est un polynucléotide double brin dont les nucléotides sont formé d’un phosphate, d’un sucre − le désoxyribose − et de l’une des quatre bases A, G, C, T. Localisé dans les chromosomes, l’ADN contient l’information génétique.
ARNm : L’ARNm, ou ARN messager, représente une copie de l’ADN d’un gène. Cette copie est synthétisée dans le noyau et passe ensuite dans le cytoplasme où elle est traduite en la protéine correspondante par les ribosomes.

Protéine : Les protéines sont des macromolécules biologiques présentes dans toutes les cellules vivantes. Elles sont formées d’une ou de plusieurs chaînes polypeptidiques. Chacune de ces chaînes est constituée de l’enchaînement de résidus d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques.

 

Voici un exemple de la synthèse des protéines pour une séquence d’ADN particulière:

 

Brin non transcrit	ATGTTGACTCTA
Brin transcrit	TACAACTGACAT
ARNm après transcription	AUGUUGACUCUA
Protéine après traduction	MET-LEU-THR-LEU

 

L’ARNm est produit dans le noyau de la cellule dans l’enzyme ARN polymérase. Cette séquence est la séquence complémentaire au brin d’ADN transcrit, sauf que le nucléotide T (thymine) est substitué par U (uracile).

Le nucléotide A (adénine) est complémentaire au nucléotide T et U, et le nucléotide C (cytosine) est complémentaire au nucléotide G (guanine). Ceci est dû aux liaisons hydrogènes :

Nous pouvons voir sur les schémas ci-dessus comment et pourquoi le nucléotide A est complémentaire au nucléotides T et U et le nucléotide G au nucléotide C. En effet, les liaisons hydrogène et l’électronégativité des atomes en sont la réponse. Nous savons que l’azote (N) et l’oxygène (O) sont beaucoup plus électronégatifs que le carbone (C ) et l’hydrogène (H). Les N et O ont donc des charges négatives alors que les H et O sont plutôt chargés négativement. Ainsi, l’hydrogène est attiré par l’oxygène et l’azote ce qui les rapproche et font que les nucléotides sont complémentaires. L’Adénine est complémentaire avec la Thymine et l’Uracile et la Cytosine avec la Guanine.

 

Ensuite, le brin d’ARN messager passe dans le cytoplasme et le processus de traduction commence. Des enzymes appelées ribosome forment des protéines en synthèse à partir de la séquence de l’ADN. A chaque groupe de trois nucléotides est associé un acide aminé. Le tableau ci dessous du code génétique pour l’ARNm montre le code génétique que suit le ribosome pour former des acides aminés. De plus, le ribosome ne commence qu’à synthétiser des protéines à partir de la séquence AUG (qui code pour l’acide aminé MET) et s’arrête à UAA, UAG, ou UGA. La protéine est donc “protégée” en amont et en aval.

Nous pouvons observer ci-dessous le tableau du code génétique qui associe les trois codons d’ARN messager à un acide aminé

Tableau de comparaison entre la séquence de l’ADN, de l’ARNm, et de la séquence protéique entre un individu sensible au PTC et un individu non sensible au PTC

Differences	Mutations chez un individu non sensible au PTC par rapport à un individu sensible au PTC
ADN	Substitution du triplet  TTC par un triplet TTT en position 60; Substitution du triplet CCA par un triplet GCA en position 145; Substitution du triplet GCT par un triplet GTT en position 785; Substitution du triplet GTC par un triplet ATC en position 886; Substitution du triplet GTC par un triplet GTA en position 963; Substitution du triplet TGC par un triplet TGT en position 999
Protéine	Substitution de l’acide aminé (aa) Pro (code GCA)  par l’aa Ala en position 49; Substitution de l’aa Ala par l’aa Valen (code GTT) position 262; Substitution de l’aa Val (code ATC) par l’aa Ile en position 296.

 

Exemple de mutation qui a un effet sur la protéine :

Exemple de mutation silencieuse :

Nous pouvons voir d’après ce tableau que malgré les mutations entre les deux ADN et donc entre les deux ARN messagers, cela ne modifie pas forcément tous les acides aminés produits : ce sont des mutations silencieuses. Cependant il y a tout de même 3 mutations d’acides aminés entre l’individu sensible au PTC et celui non-sensible (comme montré sur le tableau ci-dessus). Ce sont ces trois acides aminés différents (qui ne consituent que 0,9% de la protéine) qui changent la forme des récepteurs de PTC et font qu’un individu aime ou n’aime pas le goût du brocoli.

Le logiciel site proteinmodelportal.org modélise la protéine TAS2R38 non-sensible en 3D, et sa position dans l’espace par rapport à la cellule, du premier au quatre-vingt quatorzième acide aminé. On voit une différence dans la séquence de l’ARNm en position 145 qui correspond donc à la substitution du nucléotide Cytosine, par un nucléotide Guanine que l’on peut voir dans le logiciel anagène.

C’est donc logique ! suivant cette substitution dans la séquence nucléotidique, les ribosomes (gros complexe enzymatique qui parcourent l’ARNm et associent à chaque codon, un acide aminé, en créant une liaison de covalence entre chaque) vont donc associer un différent acide aminé au codon en question. Ils vont associer un acide aminé Alanine, au lieu d’un proline ce qui entraîne donc l’élongation d’une différente protéine que celle de l’individu sensible.

Nous remarquons donc que la ‘natural variant’, se trouve dans le cytoplasme, en position 49 (en terme d’acides aminés). Ainsi, cet acide aminé Ala se trouve dans le cytoplasme. Donc, il n’y aura pas de signal électrique transmis du récepteur au cerveau.

A bientôt !

JOUR 4

Aujourd’hui nous nous interrogerons sur la synthèse des protéines et comment cela nous montre la différence entre les individus sensibles au PTC et ceux non sensibles.

Pour cela nous verrons comment les protéines sont synthétisées!

Revoyons d’abord les définitions:

ADN: L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est un polynucléotide double brin dont les nucléotides sont formé d’un phosphate, d’un sucre − le désoxyribose − et de l’une des quatre bases A, G, C, T. Localisé dans les chromosomes, l’ADN contient l’information génétique.
ARNm : L’ARNm, ou ARN messager, représente une copie de l’ADN d’un gène. Cette copie est synthétisée dans le noyau et passe ensuite dans le cytoplasme où elle est traduite en la protéine correspondante par les ribosomes.

Protéine : Les protéines sont des macromolécules biologiques présentes dans toutes les cellules vivantes. Elles sont formées d’une ou de plusieurs chaînes polypeptidiques. Chacune de ces chaînes est constituée de l’enchaînement de résidus d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques.

 

Voici un exemple de la synthèse des protéines pour une séquence d’ADN particulière:

 

Brin non transcrit	ATGTTGACTCTA
Brin transcrit	TACAACTGACAT
ARNm après transcription	AUGUUGACUCUA
Protéine après traduction	MET-LEU-THR-LEU

 

L’ARNm est produit dans le noyau de la cellule dans l’enzyme ARN polymérase. Cette séquence est la séquence complémentaire au brin d’ADN transcrit, sauf que le nucléotide T (thymine) est substitué par U (uracile).

Le nucléotide A (adénine) est complémentaire au nucléotide T et U, et le nucléotide C (cytosine) est complémentaire au nucléotide G (guanine). Ceci est dû aux liaisons hydrogènes :

Nous pouvons voir sur les schémas ci-dessus comment et pourquoi le nucléotide A est complémentaire au nucléotides T et U et le nucléotide G au nucléotide C. En effet, les liaisons hydrogène et l’électronégativité des atomes en sont la réponse. Nous savons que l’azote (N) et l’oxygène (O) sont beaucoup plus électronégatifs que le carbone (C ) et l’hydrogène (H). Les N et O ont donc des charges négatives alors que les H et O sont plutôt chargés négativement. Ainsi, l’hydrogène est attiré par l’oxygène et l’azote ce qui les rapproche et font que les nucléotides sont complémentaires. L’Adénine est complémentaire avec la Thymine et l’Uracile et la Cytosine avec la Guanine.

Ensuite, le brin d’ARN messager passe dans le cytoplasme et le processus de traduction commence. Des enzymes appelées ribosome forment des protéines en synthèse à partir de la séquence de l’ADN. A chaque groupe de trois nucléotides est associé un acide aminé. Le tableau ci dessous du code génétique pour l’ARNm montre le code génétique que suit le ribosome pour former des acides aminés. De plus, le ribosome ne commence qu’à synthétiser des protéines à partir de la séquence AUG (qui code pour l’acide aminé MET) et s’arrête à UAA, UAG, ou UGA. La protéine est donc “protégée” en amont et en aval.

Nous pouvons observer ci-dessous le tableau du code génétique qui associe les trois codons d’ARN messager à un acide aminé

Tableau de comparaison entre la séquence de l’ADN, de l’ARNm, et de la séquence protéique entre un individu sensible au PTC et un individu non sensible au PTC

Differences	Mutations chez un individu non sensible au PTC par rapport à un individu sensible au PTC
ADN	Substitution du nucléotide C par un nucléotide T en position 60; Substitution du nucléotide C par un nucléotide G en position 145; Substitution du nucléotide C par un nucléotide T en position 785; Substitution du nucléotide G par un nucléotide A en position 886; Substitution du nucléotide C par un nucléotide A en position 963; Substitution du nucléotide C par un nucléotide T en position 999
ARN messager	Substitution du nucléotide C par un nucléotide U en position 60; Substitution du nucléotide C par un nucléotide G en position 145; Substitution du nucléotide C par un nucléotide U en position 785; Substitution du nucléotide G par un nucléotide A en position 886; Substitution du nucléotide C par un nucléotide A en position 963; Substitution du nucléotide C par un nucléotide U en position 999
Protéine	Substitution de l’acide aminé (aa) Pro par l’aa Ala en position 144-147; Substitution de l’aa Ala par l’aa Valen position 784-787; Substitution de l’aa Val par l’aa Ile en position 886-889

 

Exemple de mutation qui a un effet sur la protéine :

Exemple de mutation silencieuse :

Nous pouvons voir d’après ce tableau que malgré les mutations entre les deux ADN et donc entre les deux ARN messagers, cela ne modifie pas forcément tous les acides aminés produits : ce sont des mutations silencieuses. Cependant il y a tout de même 3 mutations d’acides aminés entre l’individu sensible au PTC et celui non-sensible (comme montré sur le tableau ci-dessus). Ce sont ces trois acides aminés différents (qui ne consituent que 0,9% de la protéine) qui changent la forme des récepteurs de PTC et font qu’un individu aime ou n’aime pas le goût du brocoli.

Le logiciel site proteinmodelportal.org modélise la protéine TAS2R38 non-sensible en 3D, et sa position dans l’espace par rapport à la cellule, du premier au quatre-vingt quatorzième acide aminé. On voit une différence dans la séquence de l’ARNm en position 145 qui correspond donc à la substitution du nucléotide Cytosine, par un nucléotide Guanine que l’on peut voir dans le logiciel anagène.

C’est donc logique ! suivant cette substitution dans la séquence nucléotidique, les ribosomes (gros complexe enzymatique qui parcourent l’ARNm et associent à chaque codon, un acide aminé, en créant une liaison de covalence entre chaque) vont donc associer un différent acide aminé au codon en question. Ils vont associer un acide aminé Alanine, au lieu d’un proline ce qui entraîne donc l’élongation d’une différente protéine que celle de l’individu sensible.

Nous remarquons donc que la ‘natural variant’, se trouve dans le cytoplasme, en position 49 (en terme d’acides aminés). Ainsi, cet acide aminé Ala se trouve dans le cytoplasme. Donc le signal électrique transmis au cerveau depuis les récepteurs protéiques au PTC, , ne pourra pas dépasser le codon 49.

A bientôt !

Jour 3 : Les protéines se plient !

La troisième étape de notre démarche, est d’étudier les différents groupes d’acides aminés.
Les acides aminés acides sont des espèces chimiques susceptibles de ‘perdre’ un ion H+. Les acides aminés basiques sont les espèces chimiques susceptibles de ‘capter’ un ion H+. Il y a donc 4 groupes d’acides aminés: acides, basiques, polaires, et apolaires. Il y’a aussi un cas particulier : les acides aminés cystéines. Ceux-ci font partie des acides aminés polaires et contiennent du soufre.

 

Maintenant que nous savons que les protéines sont divisées en 4 groupes. Il est intéressant de se demander quelle est leur structure dans l’espace, dans un environment spécifique ?

Prenons l’exemple d’une protéine, dans une cellule. Nous savons que le cytoplasme d’une cellule est majoritairement composé d’eau (H20) . Étant donné que l’éléctro-négativité de l’oxygène est supérieur à celle de l’hydrogène, nous savons que cette molécule est polaire, une extrémité (celle de l’hydrogène) est chargée négativement, et l’autre positivement. .

– Ainsi, les acides aminés polaires de la protéine lambda, seront placés à l’éxterieur afin d’être le plus en contact avec les molécules d’eau. C’est pour cela qu’ils sont aussi appelés acides aminés hydrophiles. Ce sera une liaison faible.

– A contrario, les molécules apolaires se regrouperont au centre de la cellule afin d’être le moins possible en contact avec les molécules d’eau. Nous les appelons ainsi: acides aminés hydrophobes (ou lipophile). Ce sera aussi une liaison faible.

– De plus, sachant que les acides aminés basiques sont susceptibles de ‘capter’ un ion H+, et les acides aminés acides sont susceptibles de ‘perdre’ un ion H+, ils vont s’attirer. Une liaison ionique sera donc formée, elle est un peu plus forte que les précédentes.

– Aussi, les atomes de souffre vont se lier les uns aux autres, par l’intermédiaire de liaisons covalentes, cette liaison est appelée : ‘Pont di-sulfure’. Cette liaison est forte.

Voici les modélisation de la structure tertiaire d’une protéine lambda. dans deux différents milieux :

Une protéine dans de l’huile

Une protéine dans de l’eau

 

Ainsi, nous voyons que la forme de cette protéines dépend de leur environment ! La séquence est identique mais l’arrangement de la protéine est très différente. Ca leur permet d’adapter leur comportement en fonction de leur environnement. C’est le cas par exemple des protéines de l’hemaglutinnines qui font partie du virus influenza. Ces dernières changent de forme lorsque la concentration en ions H+ augmente, et ce changement permet à la membrane du virus de se rapprocher de la membrane du vésicule, permettant ensuite à l’information génétique de rentrer dans la cellule.

La suite, la semaine prochaine…

Jour 2: Les acides aminés

Bonjour!

Aujourd’hui, deuxième étape dans notre démarche: l’étude des acides aminés.

Les acides aminés sont des molécules organiques constituées du groupement amine (NH2) et du groupement carboxyle (COOH). Ce sont les unités de base des protéines.

Voici un schéma d’un acide aminé:

Mais avant d’aller plus loin, quelques définitions:

• • Protéine: Les protéines sont des polymères d’acides aminés reliés par des liaisons péptidiques. La fonction carboxyle d’un acide aminé réagit avec la fonction amine d’un autre acide aminé, et ainsi de suite pour d’autres acides aminés qui forment ensemble une protéine. De l’eau est aussi créée lors de cette réaction. En voici un schéma : .
  • Séquence: Elle est destinée à connaître le nombre, la nature chimique et l’ordre de tous les résidus d’acides aminés dans un polypeptide.
  • Structure Primaire: Ordre des acides aminés le long de la chaîne polypeptidique.
  • Structure Secondaire: Repliement local des acides aminés en hélices, feuillets ou autres formes similaires.
  • Structure Tertiaire: Agencement stable dans l’espace de ces hélices et feuillets.
  • Structure Quaternaire: Agencement des sous-unités entre elles, quand la protéine est organisée en plusieurs sous unités indépendantes.
  • Il existe 20 types d’acides aminés, codés de la manière suivante:

 

• G – Glycine (Gly)

• P – Proline (Pro)

• A – Alanine (Ala)

• V – Valine (Val)

• L – Leucine (Leu)

• I – Isoleucine (Ile)

• M – Methionine (Met)

• C – Cysteine (Cys)

• F – Phenylalanine (Phe)

• Y – Tyrosine (Tyr)

• W – Tryptophan (Trp)

• H – Histidine (His)

• K – Lysine (Lys)

• R – Arginine (Arg)

• Q – Glutamine (Gln)

• N – Asparagine (Asn)

• E – Glutamic Acid (Glu)

• D – Aspartic Acid (Asp)

• S – Serine (Ser)

• T – Threonine (Thr)

 

Nous étudierons en détail cinq protéines, présentes chez l’être humain, ayant chacune une fonction précise:

• La protéine TAS2R38
• Le collagène
• L’amylase
• L’hémoglobine bêta
• L’insuline

Le tableau ci-dessous liste certaines caractéristiques de ces protéines:

Cinq caractéristiques de cinq protéines chez l’homme

*Note – Les séquences entières des protéines sont notés ci-dessus:

Séquence aminée de l’insuline : MALWMRLLPL LALLALWGPD PAAAFVNQHL CGSHLVEALY LVCGERGFFY TPKTRREAED LQVGQVELGG GPGAGSLQPL ALEGSLQKRG IVEQCCTSIC SLYQLENYCN                                            

 

Séquence aminée du collagène : MFSFVDLRLL LLLAATALLT HGQEEGQVEG QDEDIPPITC VQNGLRYHDR DVWKPEPCRI CVCDNGKVLC DDVICDETKN CPGAEVPEGE CCPVCPDGSE SPTDQETTGV EGPKGDTGPR GPRGPAGPPG RDGIPGQPGL PGPPGPPGPP

GPPGLGGNFA PQLSYGYDEK STGGISVPGP MGPSGPRGLP GPPGAPGPQG FQGPPGEPGE PGASGPMGPR GPPGPPGKNG DDGEAGKPGR PGERGPPGPQ GARGLPGTAG LPGMKGHRGF SGLDGAKGDA GPAGPKGEPG SPGENGAPGQ MGPRGLPGER GRPGAPGPAG ARGNDGATGA AGPPGPTGPA GPPGFPGAVG AKGEAGPQGP RGSEGPQGVR GEPGPPGPAG AAGPAGNPGA DGQPGAKGAN GAPGIAGAPG FPGARGPSGP QGPGGPPGPK GNSGEPGAPG SKGDTGAKGE PGPVGVQGPP GPAGEEGKRG ARGEPGPTGL PGPPGERGGP GSRGFPGADG VAGPKGPAGE RGSPGPAGPK GSPGEAGRPG EAGLPGAKGL TGSPGSPGPD GKTGPPGPAG QDGRPGPPGP PGARGQAGVM GFPGPKGAAG EPGKAGERGV PGPPGAVGPA GKDGEAGAQG PPGPAGPAGE RGEQGPAGSP GFQGLPGPAG PPGEAGKPGE QGVPGDLGAP GPSGARGERG FPGERGVQGP PGPAGPRGAN GAPGNDGAKG DAGAPGAPGS QGAPGLQGMP GERGAAGLPG PKGDRGDAGP KGADGSPGKD GVRGLTGPIG PPGPAGAPGD KGESGPSGPA GPTGARGAPG DRGEPGPPGP AGFAGPPGAD GQPGAKGEPG DAGAKGDAGP PGPAGPAGPP GPIGNVGAPG AKGARGSAGP PGATGFPGAA GRVGPPGPSG NAGPPGPPGP AGKEGGKGPR GETGPAGRPG EVGPPGPPGP AGEKGSPGAD GPAGAPGTPG PQGIAGQRGV VGLPGQRGER GFPGLPGPSG EPGKQGPSGA SGERGPPGPM GPPGLAGPPG ESGREGAPGA EGSPGRDGSP GAKGDRGETG PAGPPGAPGA PGAPGPVGPA GKSGDRGETG PAGPTGPVGP VGARGPAGPQ GPRGDKGETG EQGDRGIKGH RGFSGLQGPP GPPGSPGEQG PSGASGPAGP RGPPGSAGAP GKDGLNGLPG PIGPPGPRGR TGDAGPVGPP GPPGPPGPPG PPSAGFDFSF LPQPPQEKAH DGGRYYRADD ANVVRDRDLE VDTTLKSLSQ QIENIRSPEG

SRKNPARTCR DLKMCHSDWK SGEYWIDPNQ GCNLDAIKVF CNMETGETCV YPTQPSVAQK NWYISKNPKD KRHVWFGESM TDGFQFEYGG QGSDPADVAI QLTFLRLMST EASQNITYHC KNSVAYMDQQ TGNLKKALLL QGSNEIEIRA EGNSRFTYSV TVDGCTSHTG AWGKTVIEYK TTKTSRLPII DVAPLDVGAP DQEFGFDVGP VCFL  

 

Séquence aminée de l’hémoglobine béta : MVHLTPEEKS AVTALWGKVN VDEVGGEALG RLLVVYPWTQ RFFESFGDLS TPDAVMGNPK VKAHGKKVLG AFSDGLAHLD NLKGTFATLS ELHCDKLHVD PENFRLLGNV LVCVLAHHFG KEFTPPVQAA YQKVVAGVAN ALAHKYH

 

Séquence aminée de l’amylase : MKFFLLLFTI GFCWAQYSPN TQQGRTSIVH LFEWRWVDIA LECERYLAPK GFGGVQVSPP NENVAIYNPF RPWWERYQPV SYKLCTRSGN EDEFRNMVTR CNNVGVRIYV DAVINHMCGN AVSAGTSSTC GSYFNPGSRD FPAVPYSGWD FNDGKCKTGS GDIENYNDAT QVRDCRLTGL LDLALEKDYV RSKIAEYMNH LIDIGVAGFR LDASKHMWPG DIKAILDKLH NLNSNWFPAG SKPFIYQEVI DLGGEPIKSS DYFGNGRVTE FKYGAKLGTV IRKWNGEKMS YLKNWGEGW FVPSDRALVF VDNHDNQRGH GAGGASILTF WDARLYKMAV GFMLAHPYGF TRVMSSYRWP RQFQNGNDVN DWVGPPNNNG VIKEVTINPD TTCGNDWVCE HRWRQIRNMV IFRNVVDGQP FTNWYDNGSN QVAFGRGNRG FIVFNNDDWS FSLTLQTGLP AGTYCDVISG DKINGNCTGI KIYVSDDGKA HFSISNSAED PFIAIHAESK L  

 

Séquence aminée de la protéine TAS2R38 : MLTLTRIRTV SYEVRSTFLF ISVLEFAVGF LTNAFVFLVN FWDVVKRQAL SNSDCVLLCL SISRLFLHGL LFLSAIQLTH FQKLSEPLNH SYQAIIMLWM IANQANLWLA ACLSLLYCSK LIRFSHTFLI CLASWVSRKI SQMLLGIILC SCICTVLCVW CFFSRPHFTV TTVLFMNNNT RLNWQIKDLN LFYSFLFCYL WSVPPFLLFL VSSGMLTVSL GRHMRTMKVY TRNSRDPSLE AHIKALKSLV SFFCFFVISS CAAFISVPLL ILWRDKIGVM VCVGIMAACP SGHAAILISG NAKLRRAVMT ILLWAQSSLK VRADHKADSR TLC

 

Les liens qui nous ont été utiles:

uniprot.org

http://mpronovost.profweb.ca/BIONP1/bionp1_molecules_proteines.html#lp

Jour 1: L’aventure commence…

Bonjour à tous!

Aujourd’hui commence notre aventure du brocoli et du goût.

Pour notre premier TP, nous avons tout d’abord testé le phénotype d’un testeur à sa sensibilité au PhénylThioCarbamide (PTC). Pour se faire, nous avons pris 2 bandelettes, une imprégnée de PTC et une qui est un témoin négatif, donc non imprégnée. Si le cobaye est sensible au PTC (ce qui était le cas de notre ami) cela signifie qu’il y a une bonne interaction électrique de Van der Waals entre les récepteurs gustatifs du cobaye et les molécules de PTC. Il a donc un phénotype [sensible au PTC] Si toute fois, le cobaye n’est pas sensible à l’amertume, cela signifie que ses récepteurs gustatifs ne fonctionnent pas normalement, c’est un défaut génétique.

On a donc émis l’hypothèse  que la différence de sensibilité au PTC chez les individus est due à une différence des allèles codant pour le gêne des récepteurs gustatifs de l’amertume.

Nous avons aussi observé sous microscope optique une coupe transversale de langue de lapin :

Coupe transversale de langue de lapin à magnification 400

 

Pour résumer, voici notre schéma sur la détection et la perception de l’ADN :