Recherche:Interaction RNA - Protéine

Interaction RNA - Protéine

Laboratoire d'études prébiotiques

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23.1.14 Paris

2^e détricotage: Interaction RNA-protéines

Mahjong 1: L'ARN n’est pas informative = information, automatisme, évolution, code génétique.

C'est en compilant les modifications des tRNA que la question suivante s'est posée: " pourquoi les anticodons ne contiennent pas en 1ère position de l'adénine modifiée, adénine issue de la transcription de T? " En poursuivant l'investigation et la réflexion dans ce sens il me semble que je fais le même cheminement dans le Mahjong quand j'imagine enlever 1 paire: quelles sont les conséquences?

Dans le cas de l'isoleucine même ( voir tableau des modifications ) des anticodons d'origine GAU (AUC), UAU (AUA), AAU (AUU), il ne reste plus que GAU qui ne soit pas modifié et par contre un autre anticodon modifié apparaît } AU et se trouve dans 2 tRNA distinct et c’est un C modifié. Ce qui donne un codon AUG comme la méthionine dont l'anticodon CAU donne 2 fM sans modifications et M avec modification du C ( modification M ). Le C modifié de Ile } l'est avec la lysine, c’est l'unique lysine qui intervient dans les modifs des anticodons par un aa. Donc on vient à lire un codon AUA et AUU avec l'anticodon CAU identique à celui des 3 M. 
  Encore avec les autres modifications des anticodons on reste dans le même aa, ici il y a confusion entre 2 aas. C'est ppour cela que je dis que le RNA n’est pas informatif. Il faut ajouter à cela sa grande réactivité avec le 2'OH, son auto-catalyse, les mis-appariements entre paire de bases qui augmentent sa réactivité avec les protéines et ne protège pas l'information et sa courte vie à cause du 2'OH. 
  L'information doit être quelque chose qui vient du haut. L'informationest là, un point c’est tout, qu’il faut exécuter. Elle n'a pas à être réactive ou d'accomplir une action, il suffit de la lire. Ce que ne fait pas l'ARN et c’est ce que fait l'ADN. L'information doit exister avant l'exécution. Cependant il faut que l'exécutant soit présent.

Au tout début de l'évolution moléculaire ARN et ADN n'existent pas, seuls les mono-nucléotides sont là, et même pas puisque le sucre ne peut se former que dans le cytoplasme ( voir chiralité ). Au début, comme on l'a vu dans chiralité et ARN-continuité ( et même ici ), il ne peut y avoir que les bases, sans le sucre. Elles sont hydrophobes et peuvent traverser la membrane. Nous avons dits que: 
            l'ADN provient de             base + glycéraldéhyde + acétaldéhyde                 l'ARN provient de            base + glycéraldéhyde + glycolaldéhyde ,
l'acétaldéhyde provenant du pétrole prébiotique, le glycolaldéhyde et le glycéraldéhyde provenant de la réaction de formose. On retrouve dRC ou RC attachés à la membrane pour être remplacé par la sérine ( voir chiralité ). Ce qui donne ensuite des PLDs PS et PE. ADN et ARN vont évoluer parallèlement, ADN vers l'information et ARN vers l'auto-organisation ( automatisme ).

L'ADN a pour moteur d'évolution l'intrication quantique et entre en interaction avec les facteurs de transcriptionpour réagir aux actions qui viennent de l'extérieur et qui sont transmises par les protéines de la membrane vers les facteurs de transcription. L'ADN est aussi en interaction avec les protéines pour maintenir l'intégrité de l'information. Contrainte réalisée par l'interaction de l’ensemble du chromosome.
L'ARN a pour moteur d'évolution la réactivité chimique (catalyse ). C'est la catalyse, l'auto-catalyse et l'interaction avec les protéines qui ont aussi pour moteur d'évolution la réactivité ( catalyse et auto-catalyse ). Alors que l'ARN a en commun avec l'ADN l'appariement ( ce qui permet le transfert de l'information ) et un peu d'intrication ( automatisme ), les protéines se combinent avec la membrane ( canaux hydrophobicité ) pour communiquer avec l'extérieur, et avec l'ADN pour l'ouvrir ( et permettre sa transcription en ARN ) et la lire.

Ainsi l'ARN et les protéines évoluent et agissent conjointement ( catalyse, modifications ), alors que la membrane et l'ADN évoluent en parallèle par l'intermédiaire des protéines uniquement et non par l'ARN. L'ARN agit ponctuellement et de façon élémentaire au niveau de la membrane ( PLDs PS et PE ). Il agit aussi au niveau de l'ADN pour la réplication et le maintien de l'intégrité de l'ADN, en utilisant sa fonction d'appariement et non celle de catalyse, donc n'agit pas au niveau de l'évolution de l'ADN. Cependant la propriété de duplication commune à l'ADN et à l'ARN permettrait peut-être au début de l'évolution moléculaire, l'évolution de l'ADN. C'est ce qui se passe avec les virus.

L'ARN n’est pas informative donc par essence. Elle est organisatrice. Mais elle va au-delà de l'auto-organisation comme pour la membrane, sa propriété d'appariement lui permet d'exécuter avec l'aide des protéines des séquences réactionnelles automatiquement. L'aboutissement de cet automatisme est le ribosome. Cependant comme tout automate, il en faut une multitude qu’il faut rechanger régulièrement car il s'use parce qu’il est en action. Ce n’est pas le cas de l'information ( ADN ) qui doit être unique et donc protégée indéfiniment.

Cette idée que l'ARN n’est pas informative est venue des modifications des anticodons, et donc de l'information transmise par l'ADN. La question immédiate que je me suis posée, c’est pourquoi le code génétique est réglé sur 3? Il aurait suffit d'augmenter le nombre de codons pour éviter le cas de l'isoleucine / méthionine. Mais qu'elle est la contrainte qui crée ce codage? Pourquoi 3 et pas 2? Ce qui nous ramènerait à n'utiliser que 16 aas. Et pourquoi on a 20 aas et pas 16? Qu'est-ce qui contraint à avoir 20 aas et pas 16?
C'est la réflexion sur les évolutions moléculaires séparées des ARN, ADN, protéines et PLDs qui m'a conduit à revoir l'origine du code génétique. Nous avons vu dans ARN-continuité que les bases nucléiques dans l'ADN ne peuvent être que de 2 paires, sinon la monotonie des séquences d'ADN avec une paire de bases conduirait à plus de cristallisation, donc à la mort. De même avec 3 paires l'intégrité de l'ADN deviendrait ingérable.
Ici l’idée m’est venue que ce n’est pas les contraintes de l'ADN qui définissent le codage, mais les contraintes des protéines. En effet les aas forment un ensemble, un groupe homogène, comme un groupe en mathématique avec ses opérations internes. Les aas avec leur zwitterion dont les 2 ions sont séparés par un seul carbone, ont des propriétés particulières. Ce zwitterion interagit avec celui du PLD de la membrane dont les 2 ions sont séparés par 2 carbones. Le zwitterion des aas permet les liaisons hydrogène entre-eux (entre aas). Ce sont des liaisons hydrogènes différentes de celles des bases nucléiques qui ne possèdent pas de radicaux. Alors que pour les bases ces liaisons permettent l'appariement, mais uniquement l'appariement, les aas peuvent se lier par liaison H sans distinction ou presque pour former des structures plus complexes ( bêta, alpha ) et donc plus solides mais surtout avec une réactivité infiniment diverse. La liaison hydrogène modulée par les radicaux est le moteur de l'évolution moléculaire des protéines. Celui des ARN est le 2'OH associé au des-appariement des bases dont le moteur est l'uracile. De ce point de vue la réactivité des protéines est infiniment plus évolutive que celle de l'ARN.

Donc, pour moi, c’est l'évolution moléculaire des protéines en 1er qui impose le nombre ( 20 ) des aas qui doit rentrer dans leur composition. C'est ainsi que nous trouvons des aas dans le métabolisme central ( ornithine, citruline ) qui ne sont pas codés dans les protéines et des aas ( queuosine ) qui modifient même des anti-codons alors qu’ils n'y sont pas intégrés. De même apparemment d'autres aas intègrent petit à petit les protéines en ayant leurs codons propres: SeC et pyrolysine. Et là encore, ces aas s’apparentent fortement par leurs radicaux aux 20 aas qu'on connaît: SeC ~ Ser ( S à la place de O, même colonne ), pyrolysine = lysine + proline.

Ainsi passer à un code génétique à 4 bases nécessiterait une gestion de 256 codons, trop coûteuse en énergie et durée d'évolution moléculaire. Mais pourquoi ne pas répartir dans les 64 codons équitablement entre les 20 ou 22 aas? On aurait alors 3 codons par aa comme pour Ile, d'autant plus que la perte de l'adénine pour les anti-codons, à cause du mis-appariement GU, réduit les possibilités. C'est l'évolution moléculaire de l'interaction ARN/protéine qui a pu résoudre ce problème de la perte de l'adénine, A nécessaire par ailleurs pour le moteur de l'évolution moléculaire de l'ARN car elle s'apparie à l'uracile, U. Cela s'est fait par les modifications qui font intervenir aussi l'évolution moléculaire du métabolisme central ( queuosine ).

Mais c’est aussi l'évolution moléculaire des protéines qui impose le nombre de codons par aa. Il est remarquable de constater les fréquences des aas dans les protéines vont de paire avec le nombre de codons par aa ( nombre de codons, nombre d'ant-codons ):

L(6,5) R(6,4) S(6,4) T(4,4) VGP(4,3) I(3,3) MW.SeC(1,1) fM(1,2) A(4,2) CDEFHKN(2,1) QY(2,2).
Les hydrophobes ( LVIA ) sont très fréquents partout ( donc seul A pose problème ).
RSTP sont très fréquents pour les interactions ADN ou ARN /proteines.
Pour les autres aas n'intervient pas la fréquence seulement, mais aussi la réactivité ( DEK, DE sont plus fréquents), ou une utilisation cruciale et sensible ( M fréquent pour son intervention avec SAM; H et C pour la chélation) comme si le nombre d'anti-codons augmenterait les erreurs.

29.1.14 Paris

Le rôle des aas se trouve dans la constitution des hélices et les feuillets bêta qui constituent des forces + ou - grandes suivant la surface et la longueur, continues sur ces dimensions, mais l’ensemble est un système discontinu qui fait circuler les molécules jusqu'à ce que substrat et produit arrive ou parte respectivement du site actif. Le site actif est lui-même déterminé par l'orientation de ces forces et non par la nature des radicaux. Pour preuve les aas attachant ( binding ) un métal ou se rattachant à une macromolécule ( ARN, ADN, protéine ) se trouvent surtout dans les parties filaires. Au début de l'évolution moléculaire c’est la membrane qui attire les aas et constitue les 1ères hélices dont les radicaux hydrophobes sont en contact avec la membrane et quelques aas hydrophiles sont à l'intérieur du canal. La circulation des molécules d'eau à travers les canaux se fait comme dans le cytoplasme par ces aas. Les radicaux des aas avec leurs ions et leurs plateaux aromatiques, ainsi que les radicaux polaires font circuler l'eau, définissent les feuillets et renforcent les hélices, à l'origine faites par les membranes. Ce sont les liaisons hydrogènes qui font l'originalité des protéines = hélices et feuillets # de ARN dont la principale propriété est le wobble.

6.2.14 Paris

Le groupe des aas codants:

On devrait dire qu’il y en a 21 à 23, car la fMet est un aa codant et possède même 2 tRNA! Le groupe de type mathématique que j’ai signalé ( début avant-dernière page du 23.1.14 ) se confirme encore quand on considère la pyrolysine = proline + lysine, qui possède un codon propre, de même que la SeC.
Les protéines se distinguent par leur squelette avant tout. C'est ce qui permet d'échafauder des hélices alpha et des feuillets bêta. En analysant la fréquence des aas dans les protéines et leur attachement ( binding ) aux ARN, ADN et entre elles, les radicaux apparaissent comme secondaires. Ils doivent certainement définir la longueur et la force de des structures, mais de façon continue, de telle manière que le changement d'un ou de quelques aas dans ces structures ne doit avoir que très peu d'effet. Cependant on avance toujours que les aas aliphatiques peuvent être interchangeables, alors que nous savons que toute mutation peut entraîner un avantage sélectif à un moment ou l'autre au cours de l'évolution. Les aas autres que les aliphatiques, dans les structures alpha et bêta doivent avoir le même effet, peut-être avec plus d'avantage évolutif. Cela n'a rien à voir avec n’importe quel aa se trouvant impliqué dans un site actif ou y participant. Cet aa donne effectivement des mutants qu'on arrive à cerner tant leurs effets sont importants.
Donc on peut établir le concept suivant pour toutes les macro-molécules:
- Une macro-molécule se définit ( ou bien des contraintes physiques l'ont déterminée ainsi ) par un squelette propre qui confère sa principale propriété. Ce squelette est accompagné de bras latéraux pour interagir avec son environnement ( solvant, petites molécules ) et les autres macro-molécules. De ce point de vue le liposome et même un PLD isolé ( acyl carrier protéine ) se comporte comme une macro-molécule: il est constitué d'un squelette, les 2 acides gras agissant avec les forces de Van der Walls. Nous avons ainsi:
- Le liposome avec sa tête hydrophile ( bras ) et sa queue aliphatique. Le bras est unique, EtN; Ser, choline. Ce bras peut piéger les aas. La queue aliphatique impose les bras aliphatiques des protéines qui la traversent. Elle agit par les forces de van der Walls.
- Les protéines ont un squelette qui établit des liaisons hydrogènes intra pour former les structures alpha et bêta, alors que les PLDs agissent entre eux pour former une structure.. Dans ce sens on peut considérer que le liposome est une macro-molécule qui porte 10⁷bras. Comme une protéine possède des centaines de bras. La variété des bras ( 20 aas ) lui permet d'interagir avec le liposome ( aas aliphatiques ), avec l'ARN et l'ADN ( aas aromatiques et ioniques ) et avec son environnement, notamment pour la catalyse.
- L'ARN se définit par son squelette ionique avec la fonction alcool 2'OH très instable. Ce squelette n'établit pas de liaison ionique ou hydrogène en intra, seulement avec les protéines et son environnement ( Mg++ , K+ ). Ses bras sont limités à 4 types de bases qui peuvent établir ou non des liaisons hydrogènes entre elles ou les protéines. L'ARN interagit par ses bras avec les protéines par des liaisons hydrogènes : bras ARN à squelette protéine. Nous avons vu pour liposome/protéine c’est la force de van der Walls entre squelette liposome et les bras de la protéine. Je distingue bien liaison hydrogène intra squelette de la protéine des liaisons hydrogènes des bras de l'ARN qui permettent surtout l'appariement entre 2 ARNs. Ce qui n’est pas le cas pour les protéines qui s'apparient de façon plus complexe à cause de la grande variété de leurs bras.
- L'ADN se définit par sonsquelette sans 2'OH qui lui confère une grande stabilité. Sinon il est identique à celui de l'ARN. Mais la stabilité de l'ADN est renforcée encore plus par la T au lieu de U ( bras ) qui avec son méthyle ajoute de l'hydrophobicité à l'aromaticité. Les 4 types de bras de l'ADN lui servent surtout pour s'apparier avec lui-même de façon ferme, jusqu'à ressembler à un cristal. Les forces en jeu sont toujours des liaisons hydrogènes, mais la mise en commun de l'aromaticité et de l'hydrophobicité lui confère sa grande stabilité et son rôle de donneur d'ordre.
  L'ADN s'apparie avec les protéines comme le fait l'ARN, mais l'absence du 2'OH et de U ne lui permettent pas d’avoir des fonctions catalytiques. L'ADN s'apparie avec l'ARN ce qui permet de passer d'une structure stable et non catalytique, à une structure semi-ouverte grâce à l'appariement Wobble de l'uracile qui peut interagir avec les protéines en créant des structures ( tRNA, ribosome ) 2 fois catalytiques. L'ADN ne peut exister sans T.

Nous voyons ainsi que liposome et ADN constituent les 2 pôles de l'évolution moléculaire et que ARN et protéines sont leurs intermédiaires.