Karamö, le prof virtuelLeçon 4 sur 49
Le code génétique et les codons
Je sais expliquer ce qu'est le code génétique, utiliser le tableau des codons pour traduire un ARN messager en chaîne d'acides aminés et prévoir l'effet d'une mutation.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir codon, anticodon et code génétique, et justifier que le code est lu par triplets
- Citer les propriétés du code génétique (universel, redondant, non chevauchant, avec codons initiateur et stop)
- Traduire un ARNm en séquence d'acides aminés à l'aide du tableau du code
- Prévoir les conséquences d'une substitution, d'une addition ou d'une délétion de nucléotide
Avant de commencer : Les leçons sur l'ADN et l'ARN (bases complémentaires, brin transcrit, ARN messager et ARN de transfert) ; savoir qu'une protéine est une chaîne d'acides aminés.
1Je découvre
Ibrahima, élève de Terminale SE à Kindia, a un petit frère atteint de drépanocytose. À l'hôpital, le médecin a expliqué à la famille : « Dans le sang de l'enfant, les globules rouges se déforment en faucille. Tout vient d'une seule lettre changée dans un gène, sur des centaines. »
Ibrahima n'en revient pas. Une seule « lettre » modifiée suffit à changer une protéine, l'hémoglobine, et à provoquer une maladie ! Il se souvient que l'ADN est écrit avec quatre bases seulement, A, T, G et C, alors que les protéines sont formées de vingt sortes d'acides aminés différents.
Il se pose alors deux questions : comment un alphabet de quatre lettres peut-il désigner vingt acides aminés ? Et comment une seule lettre changée peut-elle modifier toute une protéine ?
Quelle est la correspondance entre la séquence des bases de l'ARN messager et la séquence des acides aminés d'une protéine ?
2Je comprends
1. Un problème de correspondance
Une protéine est une chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Il existe 20 acides aminés différents dans les protéines des êtres vivants. L'ordre de ces acides aminés (la séquence) détermine la forme et la fonction de la protéine.
L'ARN messager, lui, n'utilise que 4 bases : A, U, G et C. Il faut donc un système de correspondance, un « dictionnaire », entre les deux langages : c'est le code génétique.
Raisonnons comme un cryptographe :
- si une base codait un acide aminé, on ne pourrait coder que 41 = 4 acides aminés : c'est insuffisant ;
- avec deux bases, on obtient 42 = 16 combinaisons : c'est encore insuffisant ;
- avec trois bases, on obtient 43 = 64 combinaisons : c'est suffisant pour 20 acides aminés, et il en reste.
Le code est donc lu par groupes de trois bases. Un groupe de trois bases consécutives de l'ARNm s'appelle un codon (ou triplet).
2. Le déchiffrement du code
En 1961, les chercheurs Marshall Nirenberg et Heinrich Matthaei placent dans un tube un extrait de cellules capables de fabriquer des protéines, et y ajoutent un ARN artificiel formé uniquement d'uraciles (UUUUUU…). Ils obtiennent une chaîne formée uniquement de l'acide aminé phénylalanine. Conclusion : le codon UUU code la phénylalanine. Par des expériences du même type, tous les codons ont été déchiffrés au cours des années 1960.
3. Le tableau du code génétique
Voici la correspondance entre les 64 codons de l'ARNm et les acides aminés (abréviations en trois lettres).
| Acide aminé | Abréviation | Codons de l'ARNm |
|---|---|---|
| Alanine | Ala | GCU, GCC, GCA, GCG |
| Arginine | Arg | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG |
| Asparagine | Asn | AAU, AAC |
| Acide aspartique | Asp | GAU, GAC |
| Cystéine | Cys | UGU, UGC |
| Glutamine | Gln | CAA, CAG |
| Acide glutamique | Glu | GAA, GAG |
| Glycine | Gly | GGU, GGC, GGA, GGG |
| Histidine | His | CAU, CAC |
| Isoleucine | Ile | AUU, AUC, AUA |
| Leucine | Leu | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
| Lysine | Lys | AAA, AAG |
| Méthionine | Met | AUG (codon initiateur) |
| Phénylalanine | Phe | UUU, UUC |
| Proline | Pro | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Sérine | Ser | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Thréonine | Thr | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Tryptophane | Trp | UGG |
| Tyrosine | Tyr | UAU, UAC |
| Valine | Val | GUU, GUC, GUA, GUG |
| Codons stop | aucun | UAA, UAG, UGA |
À l'examen, le tableau du code génétique est en général fourni : tu dois savoir l'utiliser, pas l'apprendre par cœur. Retiens seulement AUG et les trois codons stop.
4. Les propriétés du code génétique
- Le code est lu par triplets : trois bases = un codon.
- Il est redondant (on dit aussi « dégénéré ») : 61 codons codent 20 acides aminés, donc la plupart des acides aminés sont codés par plusieurs codons. Par exemple, la glycine a 4 codons, la leucine 6. Seuls la méthionine (AUG) et le tryptophane (UGG) n'ont qu'un codon.
- Il n'est pas ambigu : un codon donné correspond toujours à un seul acide aminé.
- Il a un codon initiateur : AUG, qui code la méthionine et marque le début de la lecture.
- Il a trois codons stop (ou non-sens) : UAA, UAG, UGA. Ils ne codent aucun acide aminé et marquent la fin de la lecture.
- Il est non chevauchant et sans ponctuation : les codons sont lus les uns après les autres, sans se recouvrir et sans espace entre eux, à partir du codon initiateur. C'est ce qu'on appelle le cadre de lecture.
- Il est universel : à de rares exceptions près, le même codon désigne le même acide aminé chez tous les êtres vivants, de la bactérie au manguier et à l'être humain. C'est un argument fort en faveur d'une origine commune des êtres vivants, et c'est ce qui permet de faire fabriquer une protéine humaine (comme l'insuline) par une bactérie.
5. Codon et anticodon
Chaque ARN de transfert porte un anticodon de trois bases, complémentaire d'un codon de l'ARNm, et transporte l'acide aminé correspondant à ce codon. Par exemple, le codon 5'-AUG-3' est reconnu par l'anticodon 3'-UAC-5', porté par l'ARNt qui transporte la méthionine.
- 5'-AUG-3'
- 5'-UUU-3'
- 5'-GGC-3'
- 3'-UAC-5' (porte Met)
- 3'-AAA-5' (porte Phe)
- 3'-CCG-5' (porte Gly)
6. Traduire un ARN messager
Méthode
Pour passer de l'ADN à la protéine :
- Si on me donne le brin transcrit d'ADN, j'écris l'ARNm complémentaire (U à la place de T). Si on me donne le brin non transcrit, je le recopie en remplaçant T par U.
- Je cherche le codon initiateur AUG à partir de l'extrémité 5' de l'ARNm.
- Je découpe l'ARNm en codons de trois bases à partir de AUG, sans chevauchement.
- Je lis chaque codon dans le tableau et j'écris l'acide aminé.
- Je m'arrête au premier codon stop, qui ne donne pas d'acide aminé.
Exemple
Brin transcrit d'ADN : 3'-TACCTTTTTCCGACT-5'. Trouver la séquence des acides aminés.
ARNm : 5'-AUG GAA AAA GGC UGA-3'.
AUG : Met ; GAA : Glu ; AAA : Lys ; GGC : Gly ; UGA : stop.
Chaîne obtenue : Met – Glu – Lys – Gly (4 acides aminés ; le codon stop n'en code pas).
7. Les mutations et leurs conséquences
Une mutation est une modification de la séquence des nucléotides de l'ADN. Grâce au code génétique, on peut prévoir son effet sur la protéine.
| Type de mutation | Ce qui change | Effet possible sur la protéine |
|---|---|---|
| Substitution silencieuse | un codon est remplacé par un autre qui code le même acide aminé | aucun (grâce à la redondance) |
| Substitution faux-sens | le nouveau codon code un autre acide aminé | un acide aminé changé ; la protéine peut perdre sa fonction |
| Substitution non-sens | le nouveau codon est un codon stop | protéine raccourcie, en général non fonctionnelle |
| Addition ou délétion d'un nucléotide | décalage du cadre de lecture | tous les acides aminés suivants sont modifiés |
Exemple
La drépanocytose. Dans le gène de la bêta-globine (une partie de l'hémoglobine), le codon du 6e acide aminé de la chaîne (numérotation habituelle, sans la méthionine initiale, qui est retirée) est GAG dans l'ARNm normal ; il code l'acide glutamique (Glu). Chez la personne malade, il est devenu GUG.
Dans l'ADN, le triplet GAG (brin non transcrit) est devenu GTG : un A a été remplacé par un T, c'est une substitution.
GUG code la valine (Val). C'est une mutation faux-sens : Glu est remplacé par Val.
Ce seul changement modifie les propriétés de l'hémoglobine, qui forme des fibres dans les globules rouges et les déforme en faucille.
3Je retiens
Je retiens
Le code génétique est la correspondance entre les codons de l'ARNm et les acides aminés.
Un codon = 3 bases consécutives de l'ARNm ; 4 bases donnent 4³ = 64 codons.
61 codons codent les 20 acides aminés, 3 codons sont des codons stop : UAA, UAG, UGA.
AUG est le codon initiateur (méthionine).
Propriétés : lu par triplets, redondant, non ambigu, non chevauchant, universel.
L'anticodon de l'ARNt est complémentaire du codon ; on lit toujours le codon dans le tableau.
Une substitution peut être silencieuse, faux-sens ou non-sens ; une addition ou une délétion décale le cadre de lecture.
4Erreurs fréquentes
- Lire le tableau avec l'ADN ou avec l'anticodon : le tableau se lit avec les codons de l'ARNm (bases A, U, G, C).
- Compter un acide aminé pour le codon stop : UAA, UAG et UGA ne codent aucun acide aminé.
- Commencer la lecture au premier nucléotide sans chercher AUG : la traduction commence au codon initiateur.
- Confondre « redondant » et « ambigu » : plusieurs codons pour un acide aminé (redondance), mais jamais plusieurs acides aminés pour un même codon.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis : codon, anticodon, code génétique.
b) Explique pourquoi un codon ne peut pas être formé de deux bases seulement.
c) Que signifie « le code génétique est universel » ? Donne une application de cette propriété.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Un codon est un groupe de trois bases consécutives de l'ARN messager qui correspond à un acide aminé ou à un signal d'arrêt. Un anticodon est un groupe de trois bases porté par un ARN de transfert, complémentaire d'un codon. Le code génétique est le système de correspondance entre les 64 codons et les 20 acides aminés (plus les signaux stop).
b) Avec deux bases choisies parmi quatre, on n'obtient que 42 = 16 combinaisons, ce qui ne suffit pas pour coder 20 acides aminés. Avec trois bases, on obtient 43 = 64 combinaisons.
c) Un même codon correspond au même acide aminé chez presque tous les êtres vivants. Application : on peut introduire un gène humain (par exemple celui de l'insuline) dans une bactérie, qui fabrique alors la protéine humaine.
2Exercice 2
Traduis l'ARNm suivant en chaîne d'acides aminés : 5'-GCAUGUUUCACUGGAAAUAGCC-3'.
Voir le corrigéCacher le corrigé
On cherche AUG depuis l'extrémité 5' : GC AUG UUU CAC UGG AAA UAG CC.
AUG : Met ; UUU : Phe ; CAC : His ; UGG : Trp ; AAA : Lys ; UAG : stop.
Chaîne : Met – Phe – His – Trp – Lys.
3Exercice 3
Le brin non transcrit d'un fragment de gène est : 5'-ATGCCAGATTAC-3'.
a) Écris le brin transcrit et l'ARNm.
b) Donne la séquence des acides aminés.
c) Écris les anticodons des ARNt utilisés, dans l'ordre.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Brin transcrit : 3'-TACGGTCTAATG-5'. ARNm : 5'-AUGCCAGAUUAC-3'.
b) AUG : Met ; CCA : Pro ; GAU : Asp ; UAC : Tyr. Séquence : Met – Pro – Asp – Tyr.
c) Anticodons (écrits 3' vers 5') : UAC, GGU, CUA, AUG.
4Exercice 4
Un fragment de protéine a pour séquence : Met – Trp – Lys.
a) Combien d'ARNm différents peuvent coder ce fragment (sans compter le codon stop) ? Justifie.
b) Écris-en un, suivi du codon stop UAA.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Met n'a qu'un codon (AUG), Trp n'a qu'un codon (UGG), Lys en a deux (AAA, AAG). Nombre d'ARNm : 1 × 1 × 2 = 2.
b) Par exemple : 5'-AUG UGG AAA UAA-3' (ou 5'-AUG UGG AAG UAA-3').
5Exercice 5
(Type BAC) On compare un fragment du brin transcrit d'un gène normal et de trois allèles mutés.
- Normal : 3'-TAC GGT CTT AAA ATC-5'
- Mutant 1 : 3'-TAC GGA CTT AAA ATC-5'
- Mutant 2 : 3'-TAC GGT ATT AAA ATC-5'
- Mutant 3 : 3'-TAC GGT CTA AAA ATC-5'
a) Écris l'ARNm et la séquence d'acides aminés du fragment normal.
b) Fais de même pour chaque mutant et nomme le type de mutation.
c) Classe les trois mutations de la moins grave à la plus grave pour la protéine. Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Normal : ARNm 5'-AUG CCA GAA UUU UAG-3' ; séquence Met – Pro – Glu – Phe (UAG = stop).
b) Mutant 1 : ARNm AUG CCU GAA UUU UAG ; CCU code aussi Pro. Séquence inchangée : Met – Pro – Glu – Phe. Substitution silencieuse.
Mutant 2 : ARNm AUG CCA UAA UUU UAG ; UAA est un codon stop. Séquence : Met – Pro. Substitution non-sens.
Mutant 3 : ARNm AUG CCA GAU UUU UAG ; GAU code Asp. Séquence : Met – Pro – Asp – Phe. Substitution faux-sens.
c) Du moins grave au plus grave : mutant 1 (aucun changement, grâce à la redondance du code), puis mutant 3 (un seul acide aminé changé ; la protéine peut rester partiellement fonctionnelle ou non, selon la place de cet acide aminé), puis mutant 2 (protéine interrompue très tôt, donc incomplète et en général non fonctionnelle).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
