Code g??n??tique

Une s??rie de codons dans le cadre d'un Mol??cule d'ARNm. Chaque codon est constitu?? de trois nucl??otides, ce qui repr??sente un seul acide amin?? .

Le code g??n??tique est un ensemble de r??gles par lequel l'information cod??e dans le mat??riel g??n??tique ( ADN ou des s??quences d'ARN) est traduit en prot??ines ( acides amin??s ) par s??quences vivant cellules . Plus pr??cis??ment, le code d??finit une correspondance entre tri- des s??quences de nucleotides appel??s codons et acides amin??s; chaque triplet de nucleotides dans une s??quence d'acide nucl??ique sp??cifie un acide amin?? unique. ??tant donn?? que la grande majorit?? des g??nes sont encod??s avec exactement le m??me code (voir #RNA codon tableau ), ce code particulier est souvent d??sign?? comme le code g??n??tique canonique ou standard, ou simplement le code g??n??tique, mais en fait il ya de nombreuses variantes de codes; Ainsi, le code g??n??tique canonique ne est pas universelle. Par exemple, chez l'homme, la synth??se des prot??ines dans les mitochondries se appuie sur un code g??n??tique qui varie ?? partir du code canonique.

Il est important de savoir que pas toutes les informations g??n??tiques sont stock??es en tant que code g??n??tique. L'ADN de tous les organismes de r??glementation, contiennent des s??quences interg??niques segments, r??gions chromosomiques structurelles, qui peuvent contribuer grandement ?? ph??notype, mais fonctionner en utilisant un des ensembles distincts de r??gles qui peuvent ou peuvent ne pas ??tre aussi simple que le paradigme bien d??finie codon ?? l'acide amin?? qui sous-tend le code g??n??tique.

D??cryptage du code g??n??tique

Le code g??n??tique

Apr??s la structure de l'ADN a ??t?? d??chiffr??e par James Watson , Francis Crick , Maurice Wilkins et Rosalind Franklin, de s??rieux efforts pour comprendre la nature du codage de prot??ines a commenc??. George Gamov postul?? qu'un code ?? trois lettres doit ??tre utilis?? pour coder les 20 diff??rents acides amin??s utilis??s par les cellules vivantes pour coder pour des prot??ines (parce que 3 est le plus petit n tel que ⁿ est ^{??gal ??} 4 au moins 20). Le fait que les codons ne se composent de trois bases de l'ADN a ??t?? d??montr??e dans le premier Crick, Brenner et al. exp??rience. L'??lucidation d'un premier codon a ??t?? effectu??e par Marshall Nirenberg et Heinrich J. Matthaei en 1961 ?? la National Institutes of Health. Ils ont utilis?? un syst??me acellulaire ?? traduire une s??quence poly-uracile ARN (ou UUUUU ... en termes biochimiques) et d??couvert que le ils avaient polypeptide synth??tis?? est compos??e de seulement l'acide amin?? ph??nylalanine. Ils ainsi d??duites de ce poly-ph??nylalanine que le codon sp??cifi?? UUU la phenylalanine amino-acide. L'extension de ce travail, Nirenberg et ses coll??gues ont pu d??terminer la composition nucl??otidique de chaque codon. Afin de d??terminer l'ordre de la s??quence, trinucl??otides ??taient li??s aux ribosomes et radioactivement marqu??s aminoacyl-ARNt a ??t?? utilis?? pour d??terminer l'acide amin?? qui correspond au codon. Le groupe des Nirenberg a pu d??terminer les s??quences de 54 des 64 codons. Des travaux ult??rieurs par Har Gobind Khorana identifi?? le reste du code, et peu de temps apr??s Robert W. Holley d??termin?? la structure de ARN de transfert, la mol??cule d'adaptateur qui facilite la traduction. Ce travail a ??t?? bas??e sur des ??tudes ant??rieures par Severo Ochoa, qui a re??u le prix Nobel en 1959 pour ses travaux sur l'enzymologie de la synth??se de l'ARN. En 1968, Khorana, Holley et Nirenberg a ??galement re??u le Prix Nobel de physiologie ou m??decine pour leur travail.

Transfert d'informations via le code g??n??tique

Le g??nome d'un organisme est inscrit dans l'ADN , ou dans certains virus ARN. La partie du g??nome qui code pour une prot??ine ou un ARN est appel?? un g??ne. Les g??nes qui codent pour des prot??ines sont compos??es d'unit??s de tri-nucl??otides, appel??s codons codant chacun pour un acide amin?? unique. Chaque sous-unit?? nucl??otidique consiste en un phosphate, sucre de d??soxyribose et l'un des quatre azot?? bases nucl??otidiques. Le bases puriques ad??nine (A) et guanine (G) sont plus grandes et se composent de deux cycles aromatiques. Le bases pyrimidiques cytosine (C) et thymine (T) sont plus petits et se composent d'un seul cycle aromatique. Dans la configuration en double h??lice, deux brins d'ADN sont reli??s les uns aux autres par des liaisons hydrog??ne dans un dispositif connu sous le nom appariement base. Ces obligations font presque toujours entre une base ad??nine sur un brin et une thymine sur l'autre brin et entre une base cytosine sur un brin et une base de guanine de l'autre. Cela signifie que le nombre de r??sidus A et T est la m??me dans une double h??lice donn?? comme le nombre de r??sidus G et C. Dans l'ARN, la thymine (T) est remplac??e par uracile (U), et le d??soxyribose est substitu?? par ribose.

Chaque g??ne codant pour la prot??ine est transcrit en une mol??cule d'ARN de la matrice de polym??re est associ??e, connu sous le nom ARN messager ou ARNm. Ceci ?? son tour est traduit sur la ribosome dans un acide amin?? ou cha??ne polypeptide. Le processus de traduction n??cessite ARN de transfert sp??cifiques pour les acides amin??s individuels avec les acides amin??s attach?? de mani??re covalente ?? eux, guanosine triphosphate comme source d'??nergie, et un certain nombre de facteurs de traduction. ARNt ont anticodons compl??mentaires aux codons dans l'ARNm et peut ??tre ??charg???? de mani??re covalente avec des acides amin??s ?? son terminal 3 'CCA se termine. ARNt individuels sont factur??s avec des acides amin??s sp??cifiques par des enzymes appel??es synth??tases aminoacyl ARNt qui ont une sp??cificit?? ??lev??e pour les deux leurs acides amin??s apparent??s et ARNt. La grande sp??cificit?? de ces enzymes est une raison majeure pour laquelle la fid??lit?? de la traduction des prot??ines est maintenue.

Il existe des combinaisons 4?? = 64 codon diff??rent possible avec un codon triplet de trois nucleotides. En r??alit??, les 64 codons de la norme code g??n??tique sont affect??s soit ?? des acides amin??s ou des signaux d'arr??t au cours de la traduction. Si, par exemple, une s??quence d'ARN, et est consid??r?? comme UUUAAACCC la cadre de lecture commence par le premier U (par convention, 5 '?? 3' ), il ya trois codons, ?? savoir, UUU, AAA et CCC, dont chacun sp??cifie un acide amin??. Cette s??quence d'ARN est traduit en une s??quence d'acides amin??s, trois acides amin??s de long. Une comparaison peut ??tre faite avec l'informatique , o?? le codon est l'??quivalent d'un mot, qui est le "chunk" standard de traitement des donn??es (comme un acide amin?? d'une prot??ine), et un nucl??otide pour un bits.

Le code g??n??tique standard est indiqu?? dans les tableaux suivants. Le tableau 1 montre que l'acide amin?? chacun des 64 codons pr??cise. Le tableau 2 montre ce codons sp??cifient chacun des 20 acides amin??s standards impliqu??s dans la traduction. Ceux-ci sont appel??s avant et arri??re tables codons, respectivement. Par exemple, le codon AUA de repr??sente l'acide amin?? asparagine et UGU et UGC repr??sentent cyst??ine (d??signations ?? trois lettres standard, Asn et Cys respectivement).

Table ARN codon

Principales caract??ristiques

Le cadre de lecture d'une s??quence

Notez qu'un codon est d??finie par le nucl??otide initiale ?? partir de laquelle commence la traduction. Par exemple, la cha??ne GGGAAACCC, se il est lu de la premi??re position, contient les codons GGG, AAA et CCC; et se il est lu ?? partir de la seconde position, il contient les codons AAC GGA et; se il est lu ?? partir de la troisi??me position, GAA et de l'ACC. Codons partiels ont ??t?? ignor??es dans cet exemple. Chaque s??quence peut donc ??tre lu en trois cadres de lecture, dont chacune va produire une s??quence d'acides amin??s diff??rent (dans l'exemple donn??, Gly-Lys-Pro, Gly-Asp, ou Glu-Thr, respectivement). Avec l'ADN double brin, il ya six possibles cadres de lecture, trois dans l'orientation de l'avant sur un brin et trois arri??re (sur le brin oppos??).

Le cadre r??el dans lequel une s??quence de prot??ine est traduite est d??finie par une codon d'initiation, habituellement le premier codon AUG dans la s??quence d'ARNm. Les mutations qui perturbent le cadre de lecture par des insertions ou des deletions d'un non-multiple de trois bases de nucl??otides sont connus comme mutations du cadre de lecture. Ces mutations peuvent nuire ?? la fonction de la prot??ine r??sultante, si elle est form??e, et sont donc rares dans dans les s??quences codant pour des prot??ines in vivo. Souvent, ces prot??ines mal form??s sont cibl??s pour la d??gradation prot??olytique. En outre, une mutation ?? d??calage cadre est tr??s susceptible de causer un codon d'arr??t ?? lire qui tronque la cr??ation de la prot??ine (par exemple ). Une raison de la raret?? des mutations de cadre ??tant d??cal??e h??rit??es est que si la prot??ine en cours de traduction est essentielle ?? la croissance sous des pressions de s??lection de l'organisme doit faire face, l'absence d'une prot??ine fonctionnelle peut provoquer une l??talit?? avant l'organisme est viable.

START / STOP codons

Traduction commence par une cha??ne codon d'initiation (codon d'initiation). Contrairement codons arr??t, le codon seule ne est pas suffisante pour commencer le processus. S??quences proches et facteurs d'initiation sont ??galement tenus de commencer la traduction. Le codon de d??part de la plus commune est AUG, qui code pour la methionine, la plupart des cha??nes d'acides amin??s avec la methionine de d??part.

L'arbre codons stop ont ??t?? donn?? des noms: UAG est orange, UGA est opale (parfois aussi appel?? la terre d'ombre) et UAA est ocre. "Ambre" a ??t?? nomm?? par les d??couvreurs Richard Epstein et Charles Steinberg apr??s leur ami Harris Bernstein, dont le nom signifie "orange" en allemand. Les deux autres codons stop ont ??t?? nomm??s ??ocre?? et ??opale?? afin de garder le ??th??me de couleur noms". Codons stop sont aussi appel??s codons de terminaison et ils signalent lib??ration du polypeptide naissant du ribosome due ?? la liaison du lib??rer des facteurs en l'absence d'ARNt apparent?? avec anticodons compl??mentaire de ces signaux d'arr??t.

La d??g??n??rescence du code g??n??tique,

Le code g??n??tique a la redondance, mais aucune ambigu??t?? (voir les tableaux codons ci-dessus pour la corr??lation compl??te). Par exemple, bien que codons GAA et GAG fois pr??cisent acide glutamique (redondance), aucun d'entre eux sp??cifie tout autre acide amin?? (pas d'ambigu??t??). Les codons codant pour un acide amin?? peuvent ??tre diff??rentes l'une quelconque de ses trois positions. Par exemple, l'acide amin?? l'acide glutamique est sp??cifi?? par GAA et GAG (codons de diff??rence dans la troisi??me position), les acides amin??s leucine est sp??cifi?? par UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG codons (diff??rence dans le premier ou troisi??me position), tandis que l'acide amin?? s??rine est sp??cifi?? par UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, AGC (diff??rence de la premi??re, deuxi??me ou troisi??me position).

Une position d'un codon est dit ??tre un site d??g??n??r?? quadruple si ne importe quel nucleotide ?? cette position sp??cifie le m??me acide amin??. Par exemple, la troisi??me position de la glycine codons (GGA, GGG, GGC, GGU) est un site d??g??n??r?? quadruple, parce que toutes les substitutions nucl??otidiques sur ce site sont synonymes, ce est ?? dire qu'ils ne changent pas l'acide amin??. Seule la troisi??me positions de certains codons peuvent ??tre d??g??n??r??e quadrupl??. Une position d'un codon est dit ??tre un site d??g??n??r??e double si seulement deux des quatre nucleotides possibles ?? cette position sp??cifient le m??me acide amin??. Par exemple, la troisi??me position de la acide glutamique codons (GAA, GAG) est un site d??g??n??r?? double, est donc la premi??re position de la codons leucine (UCA, UCC, CCU, CCC, CCA, GCC). Dans les sites de d??g??n??r??s de doubles, les nucl??otides ??quivalentes sont toujours soit deux purines (A / G) ou deux pyrimidines (C / U), des substitutions de sorte que transversional (purine ?? la pyrimidine ou pyrimidine ?? purine) dans des sites d??g??n??r??s de doubles sont non synonyme. Une position d'un codon est dit ??tre un site non d??g??n??r?? si toute mutation ?? cette position se traduit par la substitution d'acides amin??s. Il n'y a qu'un seul site o?? d??g??n??r??e triple changement de trois des quatre nucleotides n'a aucun effet sur l'acide amin??, tout en modifiant les quatri??me r??sultats de nucleotides possibles dans une substitution d'acide amin??. Ce est la troisi??me position d'un isoleucine codon: AUU, AUC, ou AUA codent tous isoleucine, mais encode ao??t m??thionine. Dans le calcul de cette position est souvent consid??r??e comme un site d??g??n??r?? double.

Il existe trois acides amin??s cod??s par six codons diff??rents: s??rine, la leucine, arginine. Seuls deux acides amin??s sont sp??cifi??s par un codon unique; une d'entre elles est l'amino-acide m??thionine, sp??cifi??e par le codon AUG, qui pr??cise ??galement le d??but de la traduction; l'autre est tryptophane, sp??cifi??e par le codon UGG. La d??g??n??rescence du code g??n??tique est ce qui explique l'existence de mutations silencieuses.

La d??g??n??rescence r??sulte en raison d'un code de triplet d??signe 20 acides amin??s et un codon d'arr??t. Comme il existe quatre bases, codons triplets sont n??cessaires pour produire au moins 21 codes diff??rents. Par exemple, se il y avait deux bases par codon, puis seulement 16 acides amin??s pourraient ??tre cod?? (4?? = 16). Parce que au moins 21 codes sont n??cessaires, 4?? donne 64 codons possibles, ce qui signifie que certains d??g??n??rescence doit exister.

Ces propri??t??s du code g??n??tique, il est plus tol??rant aux pannes pour des mutations ponctuelles. Par exemple, en th??orie, des codons d??g??n??r??s quadrupl?? peuvent tol??rer aucune mutation ponctuelle ?? la troisi??me position, bien que biais d'usage codon limite dans la pratique dans de nombreux organismes; codons d??g??n??r??s de doubles peuvent tol??rer une des trois mutations ponctuelles possibles ?? la troisi??me position. Depuis mutations de transition (purine ?? purine ou pyrimidine ?? des mutations de pyrimidine) sont plus susceptibles que transversion (purine pyrimidine ou vice-versa) mutations, l'??quivalence des purines ou des pyrimidines sur les sites double d??g??n??r??s ajoute une tol??rance aux pannes.

Groupement de codons en volume molaire des r??sidus d'acides amin??s et d'hydropathie.

Une cons??quence pratique de la redondance est que certaines erreurs dans le code g??n??tique ne provoquent une mutation silencieuse ou une erreur qui ne affecterait pas la prot??ine parce que le hydrophile ou hydrophobie est maintenu par substitution d'??quivalents acides amin??s; par exemple, un codon de Nun (o?? n = ne importe quel nucleotide) tend ?? coder pour les acides amin??s hydrophobes. Rendements NCN r??sidus d'acides amin??s qui sont de petite taille et mod??r??e en hydroth??rapie; NAN code taille moyenne r??sidus hydrophiles; UNN code r??sidus qui ne sont pas hydrophile.

M??me ainsi, les mutations ponctuelles peuvent encore causer des prot??ines dysfonctionnelles. Par exemple, un mut?? g??ne de l'h??moglobine provoque la dr??panocytose . Dans l'h??moglobine mutante hydrophile glutamate (Glu) est substitu?? par le hydrophobe valine (Val), ce qui r??duit la solubilit?? de β-globine. Dans ce cas, les causes de cette mutation l'h??moglobine pour former des polym??res lin??aires li??s par l'interaction hydrophobe entre les groupes valine d??formation provoquant la dr??panocytose des ??rythrocytes. La dr??panocytose est g??n??ralement pas caus??e par un de novo mutation. Au contraire, il est choisi par le paludisme r??gions (d'une mani??re similaire ?? thalass??mie), tel que personnes h??t??rozygotes ont une certaine r??sistance ?? la malaria Plasmodium ( h??t??rozygote avantage).

Ces codes variables pour les acides amin??s sont autoris??s ?? cause de bases modifi??es dans la premi??re base de la anticodon de l'ARNt, et la paire form??e base est appel??e Wobble pairing. Les bases modifi??es comprennent inosine et de la paire de bases non-Watson-Crick UG.

Variations au code g??n??tique classique

Bien que de l??g??res variations sur le code standard avaient ??t?? pr??dit plus t??t, aucun n'a ??t?? d??couvert qu'en 1979, lorsque les chercheurs ??tudiant g??nes mitochondriaux humains d??couverts, ils ont utilis?? un code alternatif. Beaucoup de l??g??res variantes ont ??t?? d??couvertes depuis, y compris divers codes mitochondriales alternatifs, ainsi que de petites variantes telles que Mycoplasma traduire le codon UGA comme le tryptophane. Dans les bact??ries et arch??es, GUG et UUG sont codons de d??part communs. Cependant, dans de rares cas, certaines prot??ines sp??cifiques peuvent utiliser initiation alternatif (d??part) des codons pas normalement utilis??s par cette esp??ce.

Dans certaines prot??ines, des acides amin??s non standards sont remplac??s par des codons d'arr??t classiques, en fonction des s??quences signal associ??es ?? l'ARN messager: UGA peut coder pour s??l??nocyst??ine et UAG peut coder pour pyrrolysine comme on le verra dans les articles pertinents. Selenocysteine est maintenant consid??r?? comme l'acide amin?? 21 et pyrrolysine est consid??r?? comme le 22e. Une description d??taill??e des variations dans le code g??n??tique peut ??tre trouv?? ?? la NCBI site Web.

Malgr?? ces diff??rences, tous les codes connus pr??sentent de fortes similitudes avec l'autre, et le m??canisme de codage est la m??me pour tous les organismes: codons ?? trois bases, d'ARNt, les ribosomes, la lecture du code dans la m??me direction et en traduisant le code ?? trois lettres ?? la fois en des s??quences d'acides amin??s.

Th??ories sur l'origine du code g??n??tique

Malgr?? les variations qui existent, les codes g??n??tiques utilis??es par toutes les formes connues de la vie sur Terre sont tr??s similaires. Comme il existe de nombreux codes g??n??tiques possibles qui sont cens??es ??tre utilitaire similaire ?? celui utilis?? par la vie de la Terre, la th??orie de l'??volution sugg??re que le code g??n??tique a ??t?? ??tablie tr??s t??t dans l'histoire de la vie, avec une analyse phylog??n??tique des ARN de transfert sugg??re que ARNt mol??cules ??volu?? avant que l'ensemble pr??sente des aminoacyl-ARNt synth??tases.

Le code g??n??tique ne est pas une assignation al??atoire de codons d'acides amin??s. Par exemple, les acides amin??s qui partagent la m??me voie de biosynth??se ont tendance ?? avoir la m??me premi??re base de leurs codons, et des acides amin??s ayant des propri??t??s physiques similaires ont tendance ?? avoir des codons similaires.

Il ya trois th??mes qui traversent les nombreuses th??ories qui cherchent ?? expliquer l'??volution du code g??n??tique (et donc l'origine de ces mod??les). Une est illustr??e par la r??cente aptam??res exp??riences qui montrent que certains acides amin??s ont une affinit?? chimique s??lective de la base triplets qui codent pour eux. Ceci sugg??re que le m??canisme de translation de courant, complexe impliquant ARNt et les enzymes peuvent ??tre associ??s un d??veloppement ult??rieur, et que l'origine des s??quences de prot??ines ont ??t?? directement sur matrice de s??quences de bases. Une autre est que le code g??n??tique classique que nous voyons aujourd'hui est pass?? de, un code plus simple plus t??t par un processus d '??expansion biosynth??tique". Ici, l'id??e est que la vie primordiale ??d??couvert?? nouveaux acides amin??s (par exemple, les sous-produits du m??tabolisme) et plus tard, de retour incorpor?? certains d'entre eux dans la machine de codage g??n??tique. Bien que beaucoup de preuves circonstancielles a ??t?? trouv?? pour sugg??rer que moins de diff??rents acides amin??s ont ??t?? utilis??s dans le pass?? qu'aujourd'hui, des hypoth??ses pr??cises et d??taill??es sur exactement quels acides amin??s entr?? le code exactement de quel ordre se est r??v??l??e beaucoup plus controvers??e. Une troisi??me th??orie est que la s??lection naturelle a conduit ?? des affectations codons du code g??n??tique qui minimisent les effets de mutations.