Genetický kód - biológia

The genetický kód je pravidlo, podľa ktorého sa skupiny troch po sebe nasledujúcich nukleobáz v nukleových kyselinách - nazývané triplety alebo kodóny - prekladajú do aminokyselín. Táto translácia, nazývaná translácia, sa uskutoční, keď sú aminokyseliny naviazané na rôzne transferové ribonukleové kyseliny (tRNA), cez ktoré sú aminokyseliny usporiadané alebo aktivované na ich zloženie do proteínov.

Transferové ribonukleové kyseliny sa líšia vo svojich nukleotidových tripletoch umiestnených na prominentnom molekulárnom mieste, ktoré pozostáva z troch nukleotidov, z ktorých každý zodpovedá nukleotidom určitého kodónu (sú komplementárne), teda trojstranný Anticodon formulár. Kodón a antikodón sa špecificky zhodujú a podľa genetického kódu im je priradená určitá aminokyselina. Aminokyselina, pre ktorú je kodón zodpovedajúci antikodónu tRNA, je naviazaná na každú transferovú ribonukleovú kyselinu. Týmto spôsobom sa prostredníctvom špecifickej väzby aminokyseliny na tRNA s antikodónom, ktorú poskytuje genetický kód, preloží symbol určitej aminokyseliny, kodón, na aminokyselinu predpísanú genetickým kódom. Presne povedané, preklad je už obsiahnutý v štruktúre rôznych typov tRNA: Každá molekula tRNA obsahuje väzbové miesto pre aminokyselinu štruktúrované takým spôsobom, že sa na ňu môže viazať iba aminokyselina, ktorá sa zhoduje s antikodónom tejto tRNA podľa genetického kódu.

Po naviazaní aminokyselín na tRNA môže začať syntéza proteínu definovaného sekvenciou kodónov v deoxyribonukleovej kyseline (DNA). Ako predpoklad tejto syntézy je segment DNA génu najskôr prevedený na messenger ribonukleovú kyselinu (mRNA) (transkripcia); potom sa určité časti tejto mRNA zámerne odstránia v eukaryotoch (zostrih). Nakoniec sú aminokyseliny tRNA, ktoré zodpovedajú kodónom, navzájom spojené a tvoria polypeptidový reťazec.

Všetky kroky nasledujúce po syntéze a zostrihu mRNA až po syntézu proteínov vrátane sa označujú ako translácia, pretože konverzia tripletovej sekvencie DNA na aminokyselinovú sekvenciu je zrejmá počas syntézy proteínu. K skutočnej aplikácii genetického kódu, k translácii kodónu na aminokyselinu, dôjde, až keď sú aminokyseliny naviazané na tRNA, t. J. Keď sú aminokyseliny pripravené na zostavenie proteínov. Niektoré bázové trojčatá nekódujú aminokyseliny. Sú tiež známe ako nezmyselné kodóny. Vedú k zastaveniu translácie, ktorá končí syntézu bielkovín (stop kodóny).

V podstate všetky živé bytosti používajú rovnaký genetický kód. Najbežnejšia verzia je uvedená v nasledujúcich tabuľkách. Ukazujú, ktoré aminokyseliny zo 4 3 = 64 možných kodónov kódovaný a ktoré kodóny kódujú každú z 20 kanonických aminokyselín použitých pri translácii. Napríklad kodón GAU znamená aminokyselinu Asp (kyselina asparágová) a Cys (cysteín) je kódovaný kodónmi UGU a UGC. Bázy použité v tejto tabuľke sú adenín, guanín, cytozín a uracil z mRNA; v DNA sa namiesto uracilu používa tymín.

Príbeh objavu

V prvej polovici 60. rokov 20. storočia existovala medzi biochemikmi určitá konkurencia v porozumení genetického kódu. 27. mája 1961 o 3. hodine dosiahol nemecký biochemik Heinrich Matthaei rozhodujúci prielom v laboratóriu Marshalla Nirenberga experimentom poly-U: dešifrovanie kodónu UUU pre aminokyselinu fenylalanín. Tento experiment niektorí genetici označujú za najdôležitejší v 20. storočí. V roku 1966, päť rokov po dešifrovaní prvého kodónu, bol úplne dešifrovaný genetický kód so všetkými 64 základnými tripletmi.

Codon

Kedy Codon jedna popisuje sekvenciu troch nukleových báz (triplet báz) mRNA, ktorá kóduje aminokyselinu v genetickom kóde. Existuje celkom 4 3 = 64 možných kodónov, z ktorých tri sú nezmyselné kodóny, tieto sa používajú na ukončenie translácie, zvyšných 61 kóduje 20 kanonických, proteinogénnych aminokyselín. Existuje mnoho rôznych kódovaní pre veľa aminokyselín. Kódovanie ako triplet je napriek tomu nevyhnutné, pretože pri kódovaní dubletu by vzniklo iba 4 2 = 16 možných kodónov, a teda by nebolo k dispozícii dostatok možností na pokrytie všetkých 20 kanonických aminokyselín.

Preklad sa začína štartovacím kodónom, ale to samo o sebe nestačí na spustenie procesu. Určité iniciačné sekvencie blízko štartovacieho kodónu sú tiež potrebné na uskutočnenie transkripcie na mRNA a jej väzby na ribozóm. Najdôležitejším štartovacím kodónom je AUG, ktorý tiež kóduje metionín. CUG a UUG, ako aj GUG a AUU u prokaryotov tiež fungujú, ale s oveľa menšou účinnosťou. Prvou aminokyselinou je vždy metionín.

Preklad končí jedným z troch stop kodónov, ktoré sa tiež nazývajú nezmyslové kodóny. Pôvodne boli tieto kodóny pomenované - UAG je jantárová (oranžová), UGA je opál (opál) a UAA je okrová (okrová), hra na meno jeho objaviteľa (Harris Bernstein).

Zatiaľ čo UGA kodón sa väčšinou používa ako zastav Keď sa číta, môže len zriedka a za určitých podmienok znamenať 21. aminokyselinu: selencysteín (sek). Biosyntéza a mechanizmus inkorporácie selenocysteínu do proteínov sú veľmi odlišné od všetkých ostatných aminokyselín: jeho vloženie vyžaduje nový translačný krok, v ktorom sa UGA interpretuje odlišne v rámci určitého prostredia sekvencie a spolu s určitými kofaktormi. To si vyžaduje štrukturálne jedinečnú selenocysteínovo špecifickú tRNA (tRNA Sec), ktorá môže byť u stavovcov nabitá tromi rôznymi, ale príbuznými aminokyselinami: serínom, selenocysteínom a fosfoserínom.

Niektoré archaea a baktérie používajú stopový kodón UAG pre 22. proteinogénnu aminokyselinu: pyrolyzín.

Degenerácia a odpustenie

Ak je kodón počas translácie nesprávne dekódovaný (použije sa nesprávna aminokyselina), štruktúra produkovaného proteínu už nie je správna a prestáva fungovať podľa plánu. Zdá sa teda, že veľmi skoro v evolučnej histórii bolo užitočné, že genetický kód mal určitú mieru chybovosti: práve tento kód je známy ako kód. zdegenerovať Kód, to znamená, že sémantická jednotka je kódovaná niekoľkými rôznymi syntaktickými symbolmi: mínus stop kodóny je k dispozícii 61 rôznych kodónov, ale musí sa kódovať iba 20 aminokyselín. Ako je zrejmé z tabuľky vyššie, pre niektoré aminokyseliny sa používa niekoľko kódov. Tieto sa potom zvyčajne líšia iba v jednej z troch báz. (Takto získate minimálnu vzdialenosť v priestore kódu, pozri Hammingova vzdialenosť.) Ak sa niektorá báza číta nesprávne, pravdepodobnosť, že bude stále vybraná správna aminokyselina, je stále 60%. Väčšina dotknutých kodónov sa líši aj v tretej („vlnkovej“) základni kodónu, ktorá sa pri preklade najčastejšie nesprávne číta.

Aminokyseliny, ktoré sú v bielkovinách bežnejšie ako iné, majú navyše viac kodónov, ktoré ich kódujú.

Je pozoruhodné, že charakter aminokyseliny je do značnej miery určený strednou polohou tripletu:

U (RNA)/T (DNA) - hydrofóbne
C - polárny až neutrálny
A - naložené
G - nabitý, neutrálny až polárny

Z toho vyplýva, že radikálne substitúcie (výmena za aminokyseliny iného charakteru) sú primárne výsledkom mutácií v tejto druhej polohe. Mutácie v prvej, ale najmä v tretej pozícii („kolísanie“), na druhej strane, často obsahujú aminokyselinu alebo aspoň jej charakter „konzervatívnej substitúcie“. Ak vezmeme do úvahy tiež to, že k prechodom (premena purínov alebo pyrimidínov na iný) dochádza častejšie ako k premieňaniu (premena purínu na pyrimidín a naopak; tento proces si zvyčajne vyžaduje očistenie) z mechanických dôvodov, existuje ďalšie vysvetlenie pre konzervatívny spôsob. Charakter kódu.

Pôvod genetického kódu

Slovo „genetický kód“ vytvoril Erwin Schrödinger vo svojej knihe „Was ist Leben?“ Z roku 1944. Presné umiestnenie kódu nebolo v tom čase ešte jasné.

Skôr sa verilo, že genetický kód vznikol náhodou. V roku 1968 to Francis Crick opísal ako „zamrznutú náhodu“. Výskum z roku 2004 však naznačuje, že je výsledkom dôslednej optimalizácie z hľadiska odolnosti voči chybám. Chyby sú obzvlášť závažné pre priestorovú štruktúru proteínu, ak sa hydrofóbnosť nesprávne zabudovanej aminokyseliny výrazne líši od pôvodnej. V kontexte štatistickej analýzy sa iba 100 z milióna náhodných kódov ukazuje ako lepších ako ten skutočný. Ak sa pri výpočte tolerancie chýb berú do úvahy ďalšie faktory, ktoré zodpovedajú typickým vzorcom mutácií a chybám čítania, tento počet sa dokonca zníži na 1 ku 1 miliónu. [1]

Univerzálnosť kódu

Základný princíp

Je pozoruhodné, že genetický kód je v zásade rovnaký pre všetky živé bytosti až na niekoľko výnimiek, t. J. Všetky živé bytosti používajú rovnaký „genetický jazyk“. Pretože určitý kodón znamená vždy tú istú aminokyselinu, je možné napríklad v genetickom inžinierstve prepašovať gén pre ľudský inzulín do baktérií, aby potom produkovali inzulín. Tento princíp je známy ako „univerzálnosť kódu“. Evolúcia to môže vysvetliť tak, že genetický kód sa vytvoril veľmi skoro v histórii vývoja a potom sa preniesol na všetky vyvíjajúce sa druhy. Takéto zovšeobecnenie nevylučuje, že frekvencia rôznych kódových slov (takzvané použitie kodónov) sa môže medzi organizmami líšiť.

Výnimky

Existujú aj výnimky z univerzálnosti genetického kódu: Napríklad v mitochondriách (energetických bunkových organelách), ktoré pravdepodobne pochádzajú zo symbiotických baktérií (teória endosymbiontu) a ktoré okrem DNA bunkového jadra obsahujú aj svoj vlastný genetický materiál. používa mierne upravenú formu kódu.

Ciliati tiež vykazujú odchýlky od štandardného kódu: UAG a často aj UAA, kód pre glutamín; táto odchýlka sa nachádza aj v niektorých zelených riasach. UGA tiež niekedy znamená cysteín. Ďalší variant nájdete v droždí Candida, kde CUG kóduje serín.

Existujú aj niektoré varianty aminokyselín používané baktériami (Bacteria) a archea (Archea); stop kodón UGA môže, ako je opísané vyššie, kódovať selenocysteín a UAG pyrolyzín. Nemožno vylúčiť, že existujú aj iné varianty kódovania, ktoré ešte neboli objavené.

V súčasnosti existuje 16 známych odchýlok v priradení aminokyseliny ku kodónu (triplet bázy mRNA) od štandardného kódu: