Genetikai kód - biológia
A genetikai kód egy olyan szabály, amely szerint a nukleinsavakban egymás után következő három nukleobázis csoportja - úgynevezett tripletek vagy kodonok - aminosavakká alakulnak. Ez a transzláció, az úgynevezett transzláció akkor következik be, amikor az aminosavak különböző transzfer ribonukleinsavakhoz (tRNS-hez) kötődnek, amelyeken keresztül az aminosavak elrendeződnek vagy aktiválódnak, hogy fehérjévé összeálljanak.
A transzfer ribonukleinsavak különböznek egy kiemelkedő molekuláris helyen elhelyezkedő nukleotid-triplettjükben, amely egyenként három nukleotidból áll, amelyek megfelelnek egy bizonyos kodon nukleotidjainak (kiegészítik egymást), tehát háromoldalú Anticodon forma. A kodon és az antikodon specifikus egyezés, és egy bizonyos aminosavat hozzárendelnek hozzájuk a genetikai kód szerint. Az aminosav, amelyhez a tRNS antikodonjának megfelelő kodon áll, minden transzfer ribonukleinsavhoz kötődik. Ily módon egy aminosavnak egy tRNS-hez való kötődése révén egy antikodonnal, amelyet a genetikai kód biztosít, egy bizonyos aminosav szimbóluma, a kodon, a genetikai kód által előírt aminosavvá alakul. Szigorúan véve a transzlációt már tartalmazza a különböző tRNS-típusok szerkezete: Minden tRNS-molekula tartalmaz egy aminosav-kötő helyet, amely úgy van felépítve, hogy csak az az aminosav köthető hozzá, amely a genetikai kód szerint illeszkedik e tRNS antikodonjához.
Az aminosavak tRNS-hez való kötése után megkezdődhet a kodonok szekvenciája által meghatározott fehérje szintézise egy dezoxiribonukleinsavban (DNS). Ennek a szintézisnek előfeltétele, hogy egy gén DNS-szegmense először messenger ribonukleinsavvá (mRNS) (transzkripció) alakuljon át; akkor ennek az mRNS-nek bizonyos részeit szándékosan eltávolítják az eukariótákból (splicing). Végül a tRNS-ek aminosavai, amelyek illeszkednek a kodonokhoz, összekapcsolódva polipeptidláncot alkotnak.
Az mRNS szintézisét és splicelését követő összes lépést egészen a fehérjék szintéziséig transzlációnak nevezzük, mivel a DNS triplett szekvenciájának aminosav szekvenciává történő átalakulása a fehérjeszintézis során világossá válik. A genetikai kód tényleges alkalmazására, a kodon aminosavvá történő transzlálására csak akkor kerül sor, amikor az aminosavak a tRNS-hez kötődnek, vagyis amikor az aminosavakat előkészítik a fehérjék összeszerelésére. Egyes bázishármasok nem kódolják az aminosavat. Ezeket nonszensz kodonoknak is nevezik. A transzláció leállításához vezetnek, amely befejezi a fehérjeszintézist (stop kodonok).
Alapvetően minden élőlény ugyanazt a genetikai kódot használja. A leggyakoribb változatot a következő táblázatok adják meg. Megmutatják a 4 3 = 64 lehetséges kodon melyik aminosavát kódolt és mely kodonok kódolják a transzláció során használt 20 kanonikus aminosavat. Például a GAU kodon az Asp (aszparaginsav) aminosavat jelenti, a Cys-t (cisztein) pedig az UGU és az UGC kodonok kódolják. A táblázatban használt bázisok az adenin, a guanin, a citozin és az mRNS uracilje; a DNS-ben timint használnak az uracil helyett.
A felfedezés története
Az 1960-as évek első felében a biokémikusok között volt némi verseny a genetikai kód megértéséért. 1961. május 27-én hajnali 3 órakor Heinrich Matthaei német biokémikus Marshall Nirenberg laboratóriumában a poly-U kísérlettel elérte a döntő áttörést: az UUU kodon megfejtését a fenilalanin aminosav számára. Ezt a kísérletet egyes genetikusok a 20. század legfontosabbaként írják le. 1966-ban, öt évvel az első kodon megfejtése után a genetikai kódot teljesen megfejtették mind a 64 bázishármas.
Codon
Mikor Codon az egyik leírja az mRNS három nukleobázisának (bázistriplett) szekvenciáját, amely egy aminosavat kódol a genetikai kódban. Összesen 4 3 = 64 lehetséges kodon létezik, amelyek közül három nonszensz kodon, ezeket használjuk a transzláció befejezésére, a fennmaradó 61 a 20 kanonikus, proteinogén aminosavat kódolja. Számos aminosav különféle kódolással rendelkezik. A triplettként történő kódolás mindazonáltal szükséges, mivel dublett kódolással csak 4 2 = 16 lehetséges kodon keletkezik, és így nem áll rendelkezésre elegendő lehetőség mind a 20 kanonikus aminosav lefedésére.
A fordítás egy start kodonnal kezdődik, de ez önmagában nem elegendő a folyamat elindításához. Bizonyos, a kezdőkodonhoz közeli iniciációs szekvenciákra is szükség van az mRNS-be történő transzkripció és a riboszómához való kötődése érdekében. A legfontosabb kezdőkodon az AUG, amely a metionint is kódolja. A CUG és az UUG, valamint a prokariótákban található GUG és AUU szintén működik, de sokkal kevesebb hatékonysággal. Az első aminosav mindig a metionin.
A fordítás a három stop kodon egyikével fejeződik be, amelyeket nonszensz kodonoknak is neveznek. Eredetileg ezeknek a kodonoknak neveket adtak - az UAG az borostyán (borostyán), az UGA az opál (opál), és az UAA okker (okker), játék a felfedező nevéről (Harris Bernstein).
Míg az UGA kodont többnyire as néven használják álljon meg olvasható, ritkán és csak bizonyos körülmények között állhat a 21. aminosavra: a szelenocisztein (Sec). A szelenocisztein fehérjékbe történő bioszintézise és beépítésének mechanizmusa nagyon különbözik az összes többi aminosavétól: beiktatásához új transzlációs lépésre van szükség, amelyben az UGA-t egy adott szekvencia-környezetben és bizonyos kofaktorokkal együtt másként értelmezik. Ehhez strukturálisan egyedi, szelenocisztein-specifikus tRNS-re (tRNS Sec) van szükség, amely a gerinces állatokban három különböző, de rokon aminosavval tölthető fel: szerin, szelenocisztein és foszfozerin.
Egyes régiók és baktériumok egy UAG stop kodont használnak egy 22. proteinogén aminosavhoz: a pirrolizinhez.
Degeneráció és megbocsátás
Ha egy kodont hibásan dekódolnak a transzláció során (helytelen aminosavat használnak), akkor az előállított fehérje szerkezete már nem megfelelő, és már nem a rendeltetésszerűen működik. Nyilvánvalóan az evolúció történetének nagyon korai szakaszában hasznos volt, hogy a genetikai kód bizonyos mértékben tolerálja a hibákat: ez az úgynevezett kód elfajzott A kód azt jelenti, hogy a szemantikai egységet több különböző szintaktikai szimbólum kódolja: mínusz a stop kodonok, 61 különböző kodon áll rendelkezésre, de csak 20 aminosavat kell kódolni. Amint az a fenti táblázatból kiderül, egyes aminosavakhoz több kódot használnak. Ezek aztán általában a három bázis közül csak az egyikben különböznek. (Ez minimális távolságot ad a kódtérben, lásd: Hamming távolság.) Ha az egyik bázist helytelenül olvassuk, akkor is annak valószínűsége, hogy a megfelelő aminosavat választják ki, még mindig 60%. Az érintett kodonok többsége a kodon harmadik („ingatag”) bázisában is különbözik, amelyet a fordítás során leggyakrabban rosszul olvasnak.
Ezenkívül az aminosavak, amelyek gyakoribbak a fehérjékben, mint mások, több kodonnal rendelkeznek, amelyek ezeket kódolják.
Figyelemre méltó, hogy az aminosav jellegét nagyrészt a triplet középső helyzete határozza meg:
- U (RNS)/T (DNS) - hidrofób
- C - poláris és semleges
- A - betöltött
- G - töltött, semleges és poláris
Ebből az következik, hogy a gyökös szubsztitúciók (eltérő karakterű aminosavak cseréje) elsősorban ebben a második helyzetben mutációk következményei. Az első, de különösen a harmadik helyzetben levő mutációk ("ingadozás") viszont gyakran tartalmazzák az aminosavat vagy legalábbis annak jellegét "konzervatív szubsztitúció". Ha azt is figyelembe vesszük, hogy az átmenetek (purinok vagy pirimidinek átalakulása egymásba) mechanisztikus okokból gyakrabban fordulnak elő, mint a transzverziók (purin átalakulása pirimidinné és fordítva; ez a folyamat általában tisztítást igényel), akkor a konzervatívra egy másik magyarázat is van. A kód karaktere.
A genetikai kód eredete
A "genetikai kód" szót Erwin Schrödinger találta ki 1944-ben a "Was ist Leben?" A kód pontos helye akkor még nem volt világos.
Korábban azt hitték, hogy a genetikai kód véletlenül jött létre. 1968-ban Francis Crick „dermedt véletlenül” jellemezte. A 2004-es kutatások azonban azt sugallják, hogy a hibatűrés szempontjából szigorú optimalizálás eredménye. A hibák különösen súlyosak egy fehérje térszerkezetét illetően, ha egy helytelenül beépített aminosav hidrofób jellege jelentősen eltér az eredetitől. Statisztikai elemzés keretében millió véletlenszerű kód közül csak 100 bizonyul jobbnak, mint a valódi. Ha a hibatűrés kiszámításakor további tényezőket vesznek figyelembe, amelyek megfelelnek a mutációk és az olvasási hibák jellemző mintázatának, akkor ez a szám 1 millióra csökken. [1]
A kód egyetemessége
Alapelv
Figyelemre méltó, hogy a genetikai kód elvileg minden élőlény számára ugyanaz, néhány kivételtől eltekintve, vagyis minden élőlény ugyanazt a „genetikai nyelvet” használja. Mivel egy bizonyos kodon mindig ugyanazt az aminosavat jelenti, a géntechnológiában például lehetséges, hogy az emberi inzulin génjét baktériumokba csempészzék, így azok inzulint termelnek. Ezt az elvet „a kód egyetemességének” nevezik. Az evolúció ezt úgy tudja megmagyarázni, hogy a genetikai kód az élet fejlődéstörténetének nagyon korai szakaszában kialakult, majd az összes fejlődő fajra tovább került. Egy ilyen általánosítás nem zárja ki, hogy a különböző kódszavak (az úgynevezett kodonhasználat) gyakorisága eltérhet az organizmusok között.
Kivételek
Kivételek vannak a genetikai kód egyetemessége alól is: Például a mitokondriumokban (a sejt energiaátalakító organellái), amelyek feltehetően szimbiotikus baktériumokból származnak (endoszimbiontelmélet), és amelyek saját genetikai anyagot tartalmaznak (a sejtmag DNS-jén kívül), a kód kissé módosított formáját használja.
A csillók szintén mutatnak eltéréseket a standard kódtól: UAG, és gyakran az UAA is, a glutamin kódja; ez az eltérés néhány zöldalgában is megtalálható. Az UGA néha a ciszteint is jelenti. Egy másik változat megtalálható az élesztőben Candida, ahol a CUG a szerint kódolja.
A baktériumok (Bacteria) és az archaea (Archaea) által használt aminosavak is vannak; az UGA stop kodon a fent leírtak szerint szelenociszteint és UAG pirrolizint kódolhat. Nem zárható ki, hogy léteznek más kódolási változatok, amelyeket még nem fedeztek fel.
Jelenleg 16 ismert eltérés van az aminosav kodonhoz (az mRNS bázishármasa) hozzárendelésétől a standard kódtól: