Code génétique: caractéristiques et exceptions du code génétique

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Bien que l'ADN ne soit composé que de quatre types de nucléotides, ces derniers peuvent être positionnés de multiples façons. Ainsi, une chaîne d'ADN de seulement dix longueurs de nucléotide peut avoir 4 ¹⁰ ou 1 048 576 types de brins. Comme une seule molécule d’ADN contient plusieurs milliers de nucléotides, une spécificité illimitée peut être incorporée à l’ADN.

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Il existe un lien étroit entre les gènes et la synthèse de polypeptides ou d’enzymes. Dans la terminologie moderne, un gène fait référence à un cistron d'ADN. Un cistron est composé d'un grand nombre de nucléotides. L'arrangement des nucléotides ou de leurs bases azotées est lié à la synthèse des protéines en influençant l'incorporation d'acides aminés dans celles-ci. La relation entre la séquence d'acides aminés dans un polypeptide et la séquence nucléotidique de l'ADN ou de l'ARNm est appelée code génétique.

Il y a un problème. L'ADN ne contient que quatre types de bases azotées ou de nucléotides alors que le nombre d'acides aminés est de 20. C'est donc l'hypothèse d'un physicien, George Gamow, que le code triplet (composé de trois bases adjacentes pour un acide aminé) est opérationnel. Un certain nombre de recherches ont contribué à déchiffrer le code génétique dans les années 1960, par exemple Francis HC Crick, Severo Ochoa, le maréchal W. Nirenberg, Hargobind Khorana et JH Matthaei.

Severo Ochoa a découvert un polynucléotide phosphorylase qui pourrait polymériser des ribonucléotides pour produire de l'ARN sans matrice. Hargobind Khorana a mis au point la technique de synthèse des molécules d’ARN avec une combinaison bien définie de bases (homopolymères et copolymères).

Marshall Nirenberg a découvert la méthode de synthèse de protéines dans des systèmes acellulaires. En 1968, le prix Nobel a été attribué à Holley, Nirenberg et Khorana pour leurs travaux sur le code génétique et son fonctionnement. Les différentes recherches qui ont aidé à déchiffrer le code génétique du triplet sont les suivantes:

1. Crick et al. (1961) ont observé que la suppression ou l'ajout d'une ou deux paires de bases dans l'ADN du bactériophage T ₄ perturbait le fonctionnement normal de l'ADN. Cependant, lorsque trois paires de bases ont été ajoutées ou supprimées, la perturbation était minimale.

2. Nirenberg et Matthaei (1961) ont fait valoir qu'un code unique (un acide aminé spécifié par une base d'azote) ne peut spécifier que 4 acides (4 ¹ ), un code de doublet seulement 16 (4 ² ), tandis qu'un code de triplet peut spécifier jusqu'à 64 acides aminés (4 ³ ). Comme il y a 20 acides aminés, un code de triplet (trois bases azotées pour un acide aminé) peut être opérationnel.

3. Nirenberg (1961) a préparé des polymères des quatre nucléotides - UUUUUU .. (acide polyuridylique), … (acide polycytidylique), AAAAAA… (acide polyadénylique) et GGGGGG… (acide polyglycanyl). Il a observé que le poly-U stimule la formation de polyphénylanaline, le poly-C de polyproline, tandis que le poly-A contribue à la formation de polylysine. Cependant, le poly-G ne fonctionnait pas (il formait une structure à trois brins qui ne fonctionnait pas en translation). Plus tard, GGG s'est avéré coder pour l'acide aminé glycine.

4. Khorana (1964) a synthétisé des copolymères de nucléotides tels que UGUGUGUG… et observé qu'ils stimulaient la formation de polypeptides ayant des acides aminés alternativement similaires à ceux de cystéine - valine - cystéine. Cela n'est possible que si trois nucléotides adjacents spécifient un acide aminé (par exemple, UGU) et trois autres le deuxième acide aminé (par exemple, GUG).

5. Les codons triplets ont été confirmés par affectation in vivo des codons par:

(i) études sur le remplacement des acides aminés

(ii) des mutations de décalage de cadre.

6. Lentement, tous les codons ont été élaborés (tableau 6.4). Certains acides aminés sont spécifiés par plus d'un codon. Les langages de code de l'ADN et de l'ARNm sont complémentaires. Ainsi, les deux codons de la phénylalanine sont UUU et UUC dans le cas de l'ARNm, alors qu'ils sont AAA et AAG pour l'ADN. Normalement, le code génétique représente le langage de l'ARNm. En effet, les constituants cytoplasmiques peuvent lire le code à partir de l'ARNm et non l'ADN présent dans le noyau.

Les caractéristiques:

1. Code de triolet:

Trois bases azotées adjacentes constituent un codon qui spécifie le placement d'un acide aminé dans un polypeptide.

2. Signal de départ:

La synthèse des polypeptides est signalée par deux codons d'initiation - généralement les codons AUG ou méthionine et les codons Rafdly GUG ou valine. Ils ont une double fonction.

3. Signal d'arrêt:

La terminaison de la chaîne polypeptidique est signalée par trois codons de terminaison - UAA (ocre), UAG (ambre) et UGA (opale). Ils ne spécifient aucun acide aminé et sont donc également appelés codons non-sens.

4. Code universel:

Le code génétique est applicable universellement, c'est-à-dire qu'un codon spécifie le même acide aminé d'un virus à un arbre ou à un être humain. Ainsi, l'ARNm d'oviducte de poulet introduit dans Escherichia coli produit un albumine dans la bactérie exactement similaire à celle formée chez le poulet.

5. Codons non ambigus:

Un codon ne spécifie qu'un seul acide aminé et pas un autre.

6. Codons associés:

Les acides aminés ayant des propriétés similaires ont des codons apparentés, par exemple les acides aminés aromatiques tryptophane (UGG), phénylalanine (UUC, UUU), tyrosine (UAC, UAU).

7. Commaless:

Le code génétique est continu et ne possède pas de pauses après les triplés. Si un nucléotide est supprimé ou ajouté, le code génétique tout entier sera lu différemment. Ainsi, un polypeptide ayant 50 acides aminés doit être spécifié par une séquence linéaire de 150 nucléotides. Si un nucléotide est ajouté ou supprimé au milieu de cette séquence, les 25 premiers acides aminés du polypeptide seront identiques, mais les 25 prochains acides aminés seront très différents.

8. polarité:

Le code génétique a une polarité. Le code de l'ARNm est lu de 5 '-> 3' direction.

9. Code ne se chevauchant pas:

Une base d'azote est spécifiée par un seul codon.

10. Dégénérescence du code:

Puisqu'il y a 64 codons triplets et seulement 20 acides aminés, l'incorporation de certains acides aminés doit être influencée par plus d'un codon. Seuls le tryptophane (UGG) et la méthionine (AUG) sont spécifiés par des codons simples. Tous les autres acides aminés sont spécifiés par deux (par exemple, phénylalanine - UUU, UUC) à six (par exemple, arginine - CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG).

Ces derniers sont appelés codons dégénérés ou redondants. Dans les codons dégénérés, généralement les deux premières bases azotées sont similaires alors que la troisième est différente. Comme la troisième base azotée n’a pas d’effet sur le codage, on parle alors de position de vobulation (hypothèse de Wobble; Crick, 1966).

11. Colinéarité:

Le polypeptide et l'ADN ou l'ARNm ont un arrangement linéaire de leurs composants. En outre, la séquence de bases nucléotidiques triplet dans l'ADN ou l'ARNm correspond à la séquence d'acides aminés dans le polypeptide fabriqué sous la direction du premier. Un changement dans la séquence de codon produit également un changement similaire dans la séquence d'acides aminés du polypeptide.

12. Parité Cistron-Polypeptide:

Une partie de l'ADN appelée cistron (= gène) spécifie la formation d'un polypeptide particulier. Cela signifie que le système génétique devrait avoir autant de cistrons (= gènes) que les types de polypeptides présents dans l'organisme.

Exceptions:

1. Différents codons:

Dans Paramecium et certains autres ciliates, les codons de terminaison UAA et UGA pour la glutamine.

2. Gènes se chevauchant:

ф x 174 contient 5375 nucléotides codant pour 10 protéines nécessitant plus de 6000 bases. Trois de ses gènes E, В et К chevauchent d'autres gènes. La séquence nucléotidique au début du gène E est contenue dans le gène D. De même, le gène Ê chevauche les gènes A et C. Une condition similaire est trouvée dans SV-40.

3. Gènes mitochondriaux:

Les codes AGG et AGA pour l'arginine, mais fonctionnent comme des signaux d'arrêt dans la mitochondrie humaine. UGA, un codon de terminaison, correspond au tryptophane tandis que AUA (codon pour isoleucine) désigne la méthionine dans les mitochondries humaines.