Kod genetyczny: cechy i wyjątki kodu genetycznego

Przeczytaj ten artykuł, aby poznać kod genetyczny: cechy i wyjątki kodu genetycznego

Chociaż DNA składa się tylko z czterech rodzajów nukleotydów, to drugie może być pozycjonowane na wiele sposobów. Zatem łańcuch DNA o długości tylko dziesięciu nukleotydów może mieć 4 ¹⁰ lub 1 048 576 rodzajów nici. Ponieważ pojedyncza cząsteczka DNA ma kilka tysięcy nukleotydów, do DNA można wprowadzić nieograniczoną swoistość.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: wolfson.huji.ac.il/expression/vector/genetic_code.jpg

Istnieje ścisły związek między genami a syntezą polipeptydów lub enzymów. We współczesnej terminologii gen odnosi się do cistronu DNA. Cistron składa się z dużej liczby nukleotydów. Rozmieszczenie nukleotydów lub ich zasad azotowych jest związane z syntezą białek poprzez wpływ na wbudowywanie w nie aminokwasów. Związek między sekwencją aminokwasów w polipeptydzie i sekwencją nukleotydową DNA lub mRNA nazywany jest kodem genetycznym.

Jest jeden problem. DNA zawiera tylko cztery typy zasad azotowych lub nukleotydów, podczas gdy liczba aminokwasów wynosi 20. Hipoteza została więc postawiona przez fizyka Georga Gamowa, że ​​działa kod trypletowy (składający się z trzech sąsiednich zasad dla jednego aminokwasu). Wiele badań przyczyniło się do rozszyfrowania kodu genetycznego w latach 60. XX wieku, np. Francis HC Crick, Severo Ochoa, marszałek W. Nirenberg, Hargobind Khorana i JH Matthaei.

Severo Ochoa odkrył fosforylazę polinukleotydową, która może polimeryzować rybonukleotydy w celu wytworzenia RNA bez jakiejkolwiek matrycy. Hargobind Khorana opracował technikę syntezy cząsteczek RNA z dobrze zdefiniowaną kombinacją zasad (homopolimerów i kopolimerów).

Marshall Nirenberg odkrył metodę syntezy białek w układach bezkomórkowych. W 1968 roku Nagroda Nobla została przyznana Holley, Nirenberg i Khorana za ich pracę nad kodem genetycznym i jego pracą. Różne badania, które pomogły w rozszyfrowaniu kodu genetycznego trójki, są następujące:

1. Crick i wsp. (1961) zaobserwowali, że delecja lub addycja jednej lub dwóch par zasad w DNA bakteriofaga T4 zakłóca prawidłowe funkcjonowanie DNA. Jednak po dodaniu lub usunięciu trzech par zasad zakłócenie było minimalne.

2. Nirenberg i Matthaei (1961) argumentowali, że pojedynczy kod (jeden aminokwas określony przez jedną zasadę azotową) może zawierać tylko 4 kwasy (4 ¹ ), kod dublowy tylko 16 (4 ² ), podczas gdy kod tripletowy może określać do 64 aminokwasy (4 ³ ). Ponieważ istnieje 20 aminokwasów, kod tripletowy (trzy zasady azotowe dla jednego aminokwasu) może działać.

3. Nirenberg (1961) przygotował polimery czterech nukleotydów - UUUUUUU .. (Kwas poliuridylowy), CCCCCC ... (Kwas policytidylowy), AAAAAA ... (kwas poliadenylowy) i GGGGGG ... (Kwas poliguanylowy). Zauważył, że poli-U stymuluje tworzenie polifenyloalaniny, poli-C poliproliny, podczas gdy poli-A pomaga w tworzeniu polilizyny. Jednakże poli-G nie działał (tworzył on strukturę o potrójnej nici, która nie działa w translacji). Później stwierdzono, że GGG koduje aminokwas glicyny.

4. Khorana (1964) zsyntetyzował kopolimery nukleotydów, takich jak UGUGUGUG ... i zaobserwował, że stymulują one tworzenie polipeptydów o naprzemiennie podobnych aminokwasach, jak cysteina - walina - cysteina. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy trzy sąsiednie nukleotydy określają jeden aminokwas (np. UGU), a pozostałe trzy drugi aminokwas (np. GUG).

5. Kodony trypletów potwierdzono przez przypisanie kodonów in vivo przez:

(i) badania dotyczące zastąpienia aminokwasów

(ii) mutacje przesunięcia ramki.

6. Powoli wszystkie kodony zostały opracowane (tabela 6.4). Niektóre aminokwasy są określone przez więcej niż jeden kodon. Języki kodujące DNA i mRNA są komplementarne. Zatem oba kodony dla fenyloalaniny są UUU i UUC w przypadku mRNA, gdy są AAA i AAG dla DNA. Zwykle kod genetyczny reprezentuje język mRNA. Dzieje się tak dlatego, że składniki cytoplazmatyczne mogą odczytać kod z mRNA, a nie z DNA obecnego w jądrze.

Charakterystyka:

1. Kod trypletowy:

Trzy sąsiednie zasady azotowe tworzą kodon, który określa umieszczenie jednego aminokwasu w polipeptydzie.

2. Uruchom sygnał:

Synteza polipeptydu jest sygnalizowana przez dwa kodony inicjacji - zwykle AUG lub kodon metioninowy i rafdly GUG lub kodon valinowy. Mają podwójne funkcje.

3. Zatrzymaj sygnał:

Zakończenie łańcucha polipeptydowego jest sygnalizowane przez trzy kodony terminacji - UAA (ochra), UAG (amber) i UGA (opal). Nie określają żadnego aminokwasu i stąd są również nazywane kodonami nonsensownymi.

4. Kod uniwersalny:

Kod genetyczny ma zastosowanie uniwersalne, tj. Kodon określa ten sam aminokwas z wirusa na drzewo lub człowieka. Tak więc mRNA z jajkowatego pisklęcia wprowadzonego do Escherichia coli powoduje owalbumen w bakterii dokładnie podobnej do tej uformowanej u piskląt.

5. Niejednoznaczne kodony:

Jeden kodon określa tylko jeden aminokwas, a nie inny.

6. Powiązane kodony:

Aminokwasy o podobnych właściwościach mają pokrewne kodony, np. Aromatyczne aminokwasy tryptofan (UGG), fenyloalanina (UUC, UUU), tyrozyna (UAC, UAU).

7. Commaless:

Kod genetyczny jest ciągły i nie ma pauz po trojaczkach. Jeśli nukleotyd zostanie usunięty lub dodany, cały kod genetyczny będzie czytał inaczej. Zatem polipeptyd mający 50 aminokwasów powinien być określony liniową sekwencją 150 nukleotydów. Jeśli nukleotyd zostanie dodany lub usunięty w środku tej sekwencji, pierwsze 25 aminokwasów polipeptydu będzie takie samo, ale kolejne 25 aminokwasów będzie zupełnie inne.

8. Biegunowość:

Kod genetyczny ma polaryzację. Kod mRNA odczytuje się z kierunku 5 '-> 3'.

9. Niezachodzący kod:

Baza azotowa jest określona tylko przez jeden kodon.

10. Degeneracja kodu:

Ponieważ istnieje 64 trypletów kodonów i tylko 20 aminokwasów, na włączenie niektórych aminokwasów musi wpływać więcej niż jeden kodon. Tylko tryptofan (UGG) i metionina (AUG) są określone przez pojedyncze kodony. Wszystkie inne aminokwasy są określone przez dwa (np. Fenyloalaninę - UUU, UUC) do sześciu kodonów (np. Argininy - CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG).

Te ostatnie nazywa się zdegenerowanymi lub nadmiarowymi kodonami. W zdegenerowanych kodonach, zasadniczo pierwsze dwie zasady azotowe są podobne, podczas gdy trzecia jest inna. Ponieważ trzecia baza azotowa nie ma wpływu na kodowanie, to samo nazywa się pozycją chybotania (hipoteza Wobble'a, Crick, 1966).

11. Colinearity:

Zarówno polipeptyd jak i DNA lub mRNA mają liniowy układ ich składników. Ponadto, sekwencja trójpolowych zasad nukleotydowych w DNA lub mRNA odpowiada sekwencji aminokwasów w polipeptydzie wytworzonym pod kierunkiem tego pierwszego. Zmiana w sekwencji kodonów również powoduje podobną zmianę w sekwencji aminokwasowej polipeptydu.

12. Parytet cistron-polipeptyd:

Fragment DNA zwany cistron (= gen) określa tworzenie konkretnego polipeptydu. Oznacza to, że system genetyczny powinien mieć tyle cistronów (= genów), ile rodzajów polipeptydów znajdujących się w organizmie.

Wyjątki:

1. Różne kodony:

W Paramecium i kilku innych ciliates kodonów terminacji UAA i kod UGA dla glutaminy.

2. Nakładające się geny:

ф x 174 ma 5375 nukleotydów kodujących 10 białek, które wymagają ponad 6000 zasad. Trzy z jego genów E, В i К nakładają się na inne geny. Sekwencja nukleotydowa na początku genu E jest zawarta w genie D. Podobnie gen K pokrywa się z genami A i C. Podobny stan występuje w SV-40.

3. Geny mitochondrialne:

Kod AGG i AGA dla argininy, ale działają jako sygnały stop w mitochondrium człowieka. UGA, kodon terminacyjny, odpowiada tryptofanowi, podczas gdy AUA (kodon dla izoleucyny) oznacza metioninę w ludzkich mitochondriach.