Kod genetyczny, wyrażony w kodonach, to system kodowania informacji o strukturze białek, tkwiący we wszystkich żywych organizmach na planecie. Jego rozszyfrowanie zajęło dekadę, ale fakt, że istnieje, nauka zrozumiała przez prawie sto lat. Uniwersalność, specyficzność, jednokierunkowość, a zwłaszcza degeneracja kodu genetycznego mają ogromne znaczenie biologiczne.
Historia odkryć
Problem kodowania informacji genetycznej zawsze był kluczowy w biologii. Nauka dość powoli posuwała się w kierunku matrycowej struktury kodu genetycznego. Od czasu odkrycia przez J. Watsona i F. Cricka w 1953 r. podwójnej spiralnej struktury DNA, rozpoczął się etap odkrywania samej struktury kodu, który wzbudził wiarę w wielkość natury. Liniowa struktura białek i ta sama struktura DNA sugerowały obecność kodu genetycznego jako korespondencji dwóch tekstów, ale napisanych różnymi alfabetami. I jeślialfabet białek był znany, wtedy znaki DNA stały się przedmiotem badań biologów, fizyków i matematyków.
Nie ma sensu opisywać wszystkich etapów rozwiązywania tej zagadki. Bezpośredni eksperyment, który dowiódł i potwierdził, że istnieje wyraźna i spójna zależność między kodonami DNA a aminokwasami białkowymi, przeprowadzili w 1964 roku C. Janowski i S. Brenner. A potem – okres rozszyfrowywania kodu genetycznego in vitro (in vitro) technikami syntezy białek w strukturach bezkomórkowych.
W pełni odszyfrowany kod dotyczący bakterii E. coli został upubliczniony w 1966 roku na sympozjum biologów w Cold Spring Harbor (USA). Następnie odkryto redundancję (degenerację) kodu genetycznego. Co to oznacza zostało wyjaśnione po prostu.
Dekodowanie trwa
Pozyskanie danych na temat odszyfrowania kodu dziedzicznego stało się jednym z najważniejszych wydarzeń ostatniego stulecia. Dziś nauka nadal dogłębnie bada mechanizmy kodowań molekularnych i ich cechy systemowe oraz nadmiar znaków, co wyraża właściwość degeneracji kodu genetycznego. Osobną gałęzią badań jest powstawanie i ewolucja systemu kodowania materiału dziedzicznego. Dowody na związek między polinukleotydami (DNA) a polipeptydami (białkami) dały impuls do rozwoju biologii molekularnej. A to z kolei do biotechnologii, bioinżynierii, odkryć w selekcji i produkcji roślinnej.
Dogmaty i zasady
Główny dogmat biologii molekularnej - informacja jest przekazywana z DNA do informacjiRNA, a następnie z niego do białka. W przeciwnym kierunku możliwa jest transmisja z RNA do DNA i z RNA do innego RNA.
Ale matrycą lub podstawą jest zawsze DNA. A wszystkie inne podstawowe cechy przekazu informacji są odzwierciedleniem tej matrycowej natury przekazu. Mianowicie przeniesienie przez syntezę na matrycę innych molekuł, które staną się strukturą reprodukcji informacji dziedzicznej.
Kod genetyczny
Liniowe kodowanie struktury cząsteczek białka odbywa się za pomocą komplementarnych kodonów (trypletów) nukleotydów, których jest tylko 4 (adeina, guanina, cytozyna, tymina (uracyl)), co samoistnie prowadzi do powstania innego łańcucha nukleotydów. Ta sama liczba i chemiczna komplementarność nukleotydów jest głównym warunkiem takiej syntezy. Ale podczas tworzenia cząsteczki białka nie ma związku między ilością a jakością monomerów (nukleotydy DNA to aminokwasy białkowe). Jest to naturalny kod dziedziczny – system zapisu w sekwencji nukleotydów (kodonów) sekwencji aminokwasów w białku.
Kod genetyczny ma kilka właściwości:
- Potrójność.
- Wyjątkowość.
- Orientacja.
- Bez nakładania się.
- Nadmiarowość (degeneracja) kodu genetycznego.
- Wszechstronność.
Podajmy krótki opis, skupiając się na znaczeniu biologicznym.
Potrójność, ciągłość i światła stop
Każdy z 61 aminokwasów odpowiada jednemu semantycznemu tryplecie (trójce) nukleotydów. Trzy trojaczki nie zawierają informacji o aminokwasie i są kodonami stop. Każdy nukleotyd w łańcuchu jest częścią trójki i nie istnieje samodzielnie. Na końcu i na początku łańcucha nukleotydów odpowiedzialnych za jedno białko znajdują się kodony stop. Rozpoczynają lub zatrzymują translację (syntezę cząsteczki białka).
Specyficzne, nienakładające się i jednokierunkowe
Każdy kodon (tryplet) koduje tylko jeden aminokwas. Każda trójka jest niezależna od sąsiedniej i nie nakłada się. Jeden nukleotyd może być zawarty tylko w jednym tryplecie w łańcuchu. Synteza białka zawsze przebiega tylko w jednym kierunku, który jest regulowany przez kodony stop.
Nadmiary kodu genetycznego
Każda trójka nukleotydów koduje jeden aminokwas. W sumie jest 64 nukleotydów, z których 61 koduje aminokwasy (kodony sensowne), a trzy są bez znaczenia, to znaczy nie kodują aminokwasu (kodony stop). Nadmiarowość (degeneracja) kodu genetycznego polega na tym, że w każdym tryplecie można dokonać podstawień - radykalnych (prowadzących do zastąpienia aminokwasów) i konserwatywnych (nie zmieniających klasy aminokwasów). Łatwo obliczyć, że jeśli można dokonać 9 podstawień w tryplecie (pozycje 1, 2 i 3), każdy nukleotyd można zastąpić 4 - 1=3 inne opcje, to łączna liczba możliwych opcji podstawienia nukleotydów wyniesie 61 x 9=549.
Degeneracja kodu genetycznego przejawia się w tym, że 549 wariantów to znacznie więcej niżniezbędne do zakodowania informacji o 21 aminokwasach. Jednocześnie na 549 wariantów 23 substytucje doprowadzą do powstania kodonów stop, 134 + 230 substytucji jest konserwatywnych, a 162 substytucje są radykalne.
Zasada degeneracji i wykluczenia
Jeżeli dwa kodony mają dwa identyczne pierwsze nukleotydy, a reszta to nukleotydy tej samej klasy (puryny lub pirymidyny), to zawierają informacje o tym samym aminokwasie. Jest to zasada degeneracji lub redundancji kodu genetycznego. Dwa wyjątki - AUA i UGA - pierwszy koduje metioninę, chociaż powinna to być izoleucyna, a drugi to kodon stop, chociaż powinien kodować tryptofan.
Znaczenie degeneracji i uniwersalności
To właśnie te dwie właściwości kodu genetycznego mają największe znaczenie biologiczne. Wszystkie wymienione powyżej właściwości są charakterystyczne dla informacji dziedzicznej wszystkich form żywych organizmów na naszej planecie.
Degeneracja kodu genetycznego ma wartość adaptacyjną, jak wielokrotne powielanie kodu jednego aminokwasu. Ponadto oznacza to zmniejszenie znaczenia (degeneracji) trzeciego nukleotydu w kodonie. Ta opcja minimalizuje uszkodzenia mutacyjne w DNA, które prowadzą do poważnych naruszeń struktury białka. To jest mechanizm obronny żywych organizmów planety.
