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15.1 : Le code génétique

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    Compétences à développer

    • Expliquer le « dogme central » de la synthèse des protéines
    • Décrire le code génétique et la façon dont la séquence nucléotidique prescrit l'acide aminé et la séquence protéique

    Le processus cellulaire de transcription génère de l'ARN messager (ARNm), une copie moléculaire mobile d'un ou de plusieurs gènes dont l'alphabet est A, C, G et uracile (U). La traduction du modèle d'ARNm convertit les informations génétiques basées sur les nucléotides en un produit protéique. Les séquences protéiques se composent de 20 acides aminés courants ; par conséquent, on peut dire que l'alphabet protéique est composé de 20 lettres (Figure\(\PageIndex{1}\)). Chaque acide aminé est défini par une séquence de trois nucléotides appelée codon triplet. Les différents acides aminés ont des compositions chimiques différentes (acide par rapport à base, ou polaires et non polaires) et des contraintes structurales différentes. La variation de la séquence des acides aminés entraîne d'énormes variations dans la structure et la fonction des protéines.

    Les structures des vingt acides aminés sont données. Six acides aminés, la glycine, l'alanine, la valine, la leucine, la méthionine et l'isoleucine, sont non polaires et aliphatiques, ce qui signifie qu'ils n'ont pas de cycle. Six acides aminés, la sérine, la thréonine, la cystéine, la proline, l'asparagine et le glutamate, sont polaires mais non chargés. Trois acides aminés, la lysine, l'arginine et l'histidine, sont chargés positivement. Deux acides aminés, le glutamate et l'aspartate, sont chargés négativement. Trois acides aminés, la phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane, sont non polaires et aromatiques.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Les structures des 20 acides aminés présents dans les protéines sont présentées. Chaque acide aminé est composé d'un groupe amino (\(\text{NH}_3^+\)), d'un groupe carboxyle (COO -) et d'une chaîne latérale (bleue). La chaîne latérale peut être non polaire, polaire ou chargée, grande ou petite. C'est la variété des chaînes latérales d'acides aminés qui donne lieu à l'incroyable variation de la structure et de la fonction des protéines.

    Le dogme central : l'ADN code pour l'ARN ; l'ARN code pour les protéines

    Le flux d'informations génétiques dans les cellules, de l'ADN à l'ARNm en passant par les protéines, est décrit par le dogme central (Figure\(\PageIndex{2}\)), qui indique que les gènes spécifient la séquence des ARNm, qui à leur tour spécifient la séquence des protéines. Le décodage d'une molécule à l'autre est effectué par des protéines et des ARN spécifiques. Étant donné que les informations stockées dans l'ADN sont essentielles au fonctionnement cellulaire, il est logique que la cellule fasse des copies d'ARNm de ces informations pour la synthèse des protéines, tout en préservant l'ADN lui-même intact et protégé. La copie de l'ADN en ARN est relativement simple, un nucléotide étant ajouté au brin d'ARNm pour chaque nucléotide lu dans le brin d'ADN. La traduction en protéine est un peu plus complexe car trois nucléotides d'ARNm correspondent à un acide aminé dans la séquence polypeptidique. Cependant, la traduction en protéine est toujours systématique et colinéaire, de sorte que les nucléotides 1 à 3 correspondent à l'acide aminé 1, les nucléotides 4 à 6 correspondent à l'acide aminé 2, etc.

    Pour fabriquer une protéine, les informations génétiques codées par l'ADN doivent être transcrites sur une molécule d'ARNm. L'ARN est ensuite traité par épissage pour éliminer les exons et par l'ajout d'une coiffe de 5' et d'une queue en poly-A. Un ribosome lit ensuite la séquence sur l'ARNm et utilise ces informations pour enchaîner les acides aminés dans une protéine.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : Les instructions relatives à l'ADN sont transcrites sur l'ARN messager. Les ribosomes sont capables de lire les informations génétiques inscrites sur un brin d'ARN messager et d'utiliser ces informations pour relier les acides aminés en une protéine.

    Le code génétique est dégénéré et universel

    Étant donné les différents nombres de « lettres » dans les « alphabets » de l'ARNm et des protéines, les scientifiques ont émis l'hypothèse que les combinaisons de nucléotides correspondaient à des acides aminés uniques. Les doublets de nucléotides ne seraient pas suffisants pour spécifier chaque acide aminé, car il n'existe que 16 combinaisons possibles de deux nucléotides (4 2). En revanche, il existe 64 triplets nucléotidiques possibles (4 3), ce qui est bien plus que le nombre d'acides aminés. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que les acides aminés étaient codés par des triplets de nucléotides et que le code génétique était dégénéré. En d'autres termes, un acide aminé donné peut être codé par plus d'un triplet nucléotidique. Cela a ensuite été confirmé expérimentalement ; Francis Crick et Sydney Brenner ont utilisé la proflavine, un mutagène chimique, pour insérer un, deux ou trois nucléotides dans le gène d'un virus. Lorsqu'un ou deux nucléotides étaient insérés, la synthèse des protéines était complètement abolie. Lorsque trois nucléotides ont été insérés, la protéine a été synthétisée et fonctionnelle. Cela a démontré que trois nucléotides spécifient chaque acide aminé. Ces triplets de nucléotides sont appelés codons. L'insertion d'un ou deux nucléotides a complètement modifié le cadre de lecture du triplet, modifiant ainsi le message pour chaque acide aminé suivant (Figure\(\PageIndex{4}\)). Bien que l'insertion de trois nucléotides ait entraîné l'insertion d'un acide aminé supplémentaire pendant la traduction, l'intégrité du reste de la protéine a été maintenue.

    Les scientifiques ont minutieusement résolu le code génétique en traduisant des ARNm synthétiques in vitro et en séquençant les protéines qu'ils ont spécifiées (Figure\(\PageIndex{3}\)).

    La figure montre les 64 codons. Soixante-deux d'entre eux codent pour des acides aminés et trois sont des codons stop.
    Figure\(\PageIndex{3}\) : Cette figure montre le code génétique permettant de traduire chaque triplet nucléotidique contenu dans l'ARNm en acide aminé ou en signal de terminaison dans une protéine naissante. (source : modification des travaux par le NIH)

    En plus d'indiquer l'ajout d'un acide aminé spécifique à une chaîne polypeptidique, trois des 64 codons interrompent la synthèse des protéines et libèrent le polypeptide de la machinerie de traduction. Ces triplets sont appelés codons absurdes ou codons stop. Un autre codon, AUG, possède également une fonction spéciale. En plus de spécifier l'acide aminé méthionine, il sert également de codon de départ pour initier la traduction. Le cadre de lecture pour la traduction est défini par le codon AUG start à proximité de l'extrémité 5' de l'ARNm.

    Le code génétique est universel. À quelques exceptions près, pratiquement toutes les espèces utilisent le même code génétique pour la synthèse des protéines. La conservation des codons signifie qu'un ARNm purifié codant pour la protéine de globine chez les chevaux pourrait être transféré dans une cellule de tulipe, et que la tulipe synthétiserait la globine du cheval. Le fait qu'il n'existe qu'un seul code génétique est une preuve convaincante que toutes les formes de vie sur Terre ont une origine commune, surtout si l'on considère qu'il existe environ 10 84 combinaisons possibles de 20 acides aminés et 64 codons triplets.

    Lien vers l'apprentissage

    Transcrivez un gène et traduisez-le en protéine à l'aide de l'appariement complémentaire et du code génétique de ce site.

    L'illustration montre une mutation par décalage de cadre dans laquelle le cadre de lecture est modifié par la délétion de deux acides aminés.
    Figure\(\PageIndex{4}\) : La délétion de deux nucléotides déplace le cadre de lecture d'un ARNm et modifie l'ensemble du message protéique, créant ainsi une protéine non fonctionnelle ou interrompant complètement la synthèse des protéines.

    La dégénérescence est considérée comme un mécanisme cellulaire visant à réduire l'impact négatif des mutations aléatoires. Les codons qui spécifient le même acide aminé ne diffèrent généralement que par un nucléotide. De plus, les acides aminés dont les chaînes latérales sont chimiquement similaires sont codés par des codons similaires. Cette nuance du code génétique garantit qu'une mutation de substitution d'un nucléotide peut soit spécifier le même acide aminé mais n'avoir aucun effet, soit spécifier un acide aminé similaire, empêchant ainsi la protéine de devenir complètement non fonctionnelle.

    Lien entre la méthode scientifique : lequel a le plus d'ADN : un kiwi ou une fraise ?

    Les photographies montrent une fine tranche de kiwi vert et un bol de fraises.
    Figure\(\PageIndex{5}\) : Pensez-vous qu'un kiwi ou une fraise ont plus d'ADN par fruit ? (crédit « kiwi » : « Kelbv » /Flickr ; crédit : « fraise » : Alisdair McDiarmid)

    Question : Un kiwi et une fraise d'environ la même taille (Figure\(\PageIndex{5}\)) auraient-ils également à peu près la même quantité d'ADN ?

    Contexte : Les gènes sont portés par les chromosomes et sont constitués d'ADN. Tous les mammifères sont diploïdes, c'est-à-dire qu'ils possèdent deux copies de chaque chromosome. Cependant, toutes les plantes ne sont pas diploïdes. Le fraisier commun est octoploïde (8 n) et le kiwi cultivé est hexaploïde (6 n). Faites des recherches sur le nombre total de chromosomes dans les cellules de chacun de ces fruits et réfléchissez à la façon dont cela pourrait correspondre à la quantité d'ADN dans les noyaux cellulaires de ces fruits. Découvrez la technique d'isolement de l'ADN pour comprendre comment chaque étape du protocole d'isolement contribue à libérer et à précipiter l'ADN.

    Hypothèse : Émettez l'hypothèse selon laquelle vous pourriez détecter une différence de quantité d'ADN chez des fraises et des kiwis de taille similaire. Selon vous, quel fruit produirait le plus d'ADN ?

    Testez votre hypothèse : isolez l'ADN d'une fraise et d'un kiwi de taille similaire. Réalisez l'expérience en au moins trois fois pour chaque fruit.

    1. Préparez une bouteille de tampon d'extraction d'ADN avec 900 ml d'eau, 50 ml de détergent à vaisselle et deux cuillères à café de sel de table. Mélangez par inversion (bouchez-le et retournez-le plusieurs fois).
    2. Broyez une fraise et un kiwi à la main dans un sac en plastique, à l'aide d'un mortier et d'un pilon, ou à l'aide d'un bol en métal et du bout d'un instrument contondant. Broyer pendant au moins deux minutes par fruit.
    3. Ajoutez 10 ml de tampon d'extraction d'ADN à chaque fruit et mélangez bien pendant au moins une minute.
    4. Éliminez les débris cellulaires en filtrant chaque mélange de fruits à l'aide d'une étamine ou d'un chiffon poreux et en le plaçant dans un entonnoir placé dans un tube à essai ou un contenant approprié.
    5. Versez de l'éthanol glacé ou de l'isopropanol (alcool à friction) dans le tube à essai. Vous devez observer de l'ADN blanc précipité.
    6. Récoltez l'ADN de chaque fruit en l'enroulant autour de tiges de verre séparées.

    Enregistrez vos observations : Comme vous ne mesurez pas quantitativement le volume d'ADN, vous pouvez enregistrer pour chaque essai si les deux fruits ont produit des quantités d'ADN identiques ou différentes, comme observé à l'œil nu. Si l'un ou l'autre fruit produit sensiblement plus d'ADN, enregistrez-le également. Déterminez si vos observations sont cohérentes avec plusieurs morceaux de chaque fruit.

    Analysez vos données : Avez-vous remarqué une différence évidente dans la quantité d'ADN produite par chaque fruit ? Vos résultats étaient-ils reproductibles ?

    Tirez une conclusion : étant donné ce que vous savez sur le nombre de chromosomes dans chaque fruit, pouvez-vous en conclure que le nombre de chromosomes est nécessairement en corrélation avec la quantité d'ADN ? Pouvez-vous identifier les inconvénients de cette procédure ? Si vous aviez accès à un laboratoire, comment pourriez-vous normaliser votre comparaison et la rendre plus quantitative ?

    Résumé

    Le code génétique fait référence à l'alphabet ADN (A, T, C, G), à l'alphabet ARN (A, U, C, G) et à l'alphabet polypeptidique (20 acides aminés). Le dogme central décrit le flux d'informations génétiques dans la cellule, des gènes à l'ARNm en passant par les protéines. Les gènes sont utilisés pour fabriquer l'ARNm par le processus de transcription ; l'ARNm est utilisé pour synthétiser des protéines par le processus de traduction. Le code génétique est dégénéré car 64 codons triplets dans l'ARNm ne spécifient que 20 acides aminés et trois codons absurdes. Presque toutes les espèces de la planète utilisent le même code génétique.

    Lexique

    Dogme central
    indique que les gènes spécifient la séquence des ARNm, qui à leur tour précisent la séquence des protéines
    codon
    trois nucléotides consécutifs dans l'ARNm qui spécifient l'insertion d'un acide aminé ou la libération d'une chaîne polypeptidique pendant la traduction
    colinéaire
    en termes d'ARN et de protéines, trois « unités » d'ARN (nucléotides) désignent une « unité » de protéine (acide aminé) de manière consécutive
    dégénérescence
    (du code génétique) décrit qu'un acide aminé donné peut être codé par plus d'un triplet nucléotidique ; le code est dégénéré, mais non ambigu
    codon absurde
    l'un des trois codons d'ARNm qui spécifie la fin de la traduction
    cadre de lecture
    séquence de codons triplets dans l'ARNm qui spécifient une protéine particulière ; le déplacement des ribosomes d'un ou deux nucléotides dans l'une ou l'autre direction abolit complètement la synthèse de cette protéine