9 Najważniejsze właściwości kodu genetycznego

Niektóre z najważniejszych właściwości kodów genetycznych są następujące:

1. Kod jest kodonem trypletowym:

Nukleotydy mRNA są uporządkowane jako liniowa sekwencja kodonów, każdy kodon składa się z trzech kolejnych zasad azotowych, tj. Kod jest kodonem trypletowym. Koncepcja kodonu trypletowego została potwierdzona przez dwa rodzaje mutacji punktowych: mutacje przesunięcia ramki i substytucje zasad.

(i) Modyfikacje Frameshift:

Najwyraźniej, wiadomość genetyczna raz zainicjowana w ustalonym punkcie jest odczytywana w określonej ramce w serii trzyliterowych słów. Ramy będą zakłócone, gdy tylko nastąpi usunięcie lub dodanie jednej lub więcej zasad.

Gdy takie mutacje przesunięcia ramki są skrzyżowane, to w pewnych kombinacjach wytwarzają normalny gen typu dzikiego. Wywnioskowano, że jedno z nich było delecją, a drugie dodatkiem, tak że zakłócony porządek kadru z powodu mutacji zostanie przywrócony przez drugą (ryc. 38.26).

(ii) Podstawienie substytucji:

Jeżeli w cząsteczce mRNA w określonym punkcie jedna para zasad zostanie zastąpiona inną bez delecji lub addycji, znaczenie jednego kodonu zawierającego zmienioną zasadę zostanie zmienione. W konsekwencji, w miejsce konkretnego aminokwasu w określonej pozycji w polipeptydzie, włączony zostanie inny aminokwas.

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

Na przykład, z powodu mutacji substytucyjnej, w genie dla enzymu syntazy tryptofanu w E. coli, kodon GGA dla glicyny staje się kodonem o nieporozumieniu AGA, który koduje argininę. Kodon niegodności jest kodonem, który ulega zmianie w celu określenia innego aminokwasu.

Bardziej bezpośredni dowód na kod trypletowy pochodzi z odkrycia, że ​​fragment mRNA zawierający 90 nukleotydów, odpowiada łańcuchowi polipeptydowemu złożonemu z 30 aminokwasów z rosnącej cząsteczki hemoglobiny. Podobnie, 1200 nukleotydów "satelitarnego" wirusa martwicy tytoniu kieruje syntezą cząsteczek białka płaszcza, które mają 372 aminokwasy.

2. Kod nie nakłada się:

W translacji cząsteczek mRNA kodony nie nakładają się, ale są "odczytywane" sekwencyjnie (ryc. 38.27). Zatem nie nakładający się kod oznacza, że ​​baza w mRNA nie jest stosowana dla różnych kodonów. Na rysunku 38.28 wykazano, że nakładający się kod może oznaczać kodowanie czterech aminokwasów z sześciu zasad.

Jednak w praktyce sześć zasad koduje nie więcej niż dwa aminokwasy. Na przykład, w przypadku nakładającego się kodu, pojedyncza zmiana (typu podstawienia) w sekwencji zasad będzie odzwierciedlona w podstawieniach więcej niż jednego aminokwasu w odpowiednim białku. Wiele przykładów nagromadziło się od 1956 r., W których pojedyncze podstawienie prowadzi do pojedynczej zmiany aminokwasu w insulinie, syntezie tryptofanu, białku płaszcza TMV, fosfatazie alkalicznej, hemoglobinie itp.

Wykazano jednak, że w bakteriofagu ɸ × l74 istnieje możliwość zachodzenia na siebie genów i kodonów (Barrel i współpracownicy, 1976, Sanger, i wsp., 1977).

3. Kod jest bezużyteczny:

Kod genetyczny jest bez znaczenia, co oznacza, że ​​kodon nie jest zarezerwowany dla znaków interpunkcyjnych. Oznacza to, że po zakodowaniu jednego aminokwasu drugi aminokwas będzie automatycznie kodowany następnymi trzema literami i że żadne znaki nie będą marnowane jako znaki interpunkcyjne (ryc. 38.29).

4. Kod jest niejednoznaczny:

Niejednoznaczny kod oznacza, że ​​dany kodon będzie zawsze kodował ten sam aminokwas. W przypadku niejednoznacznego kodu, ten sam kodon mógłby mieć różne znaczenia lub innymi słowy, ten sam kodon mógłby kodować dwa lub więcej niż dwa różne aminokwasy. Z reguły ten sam kodon z reguły nigdy nie koduje dwóch różnych aminokwasów.

Jednak istnieją pewne zgłaszane wyjątki od tej reguły: kodony AUG i GUG mogą kodować metioninę jako kodon inicjujący lub rozpoczynający, chociaż GUG jest przeznaczony dla waliny. Podobnie kodon GGA koduje dwa aminokwasy glicyny i kwasu glutaminowego.

5. Kod ma polaryzację:

Kod jest zawsze czytany w ustalonym kierunku, tj. W kierunku 5 '→ 3'. Innymi słowy, kodon ma polaryzację. Oczywiste jest, że jeśli kod zostanie odczytany w przeciwnych kierunkach, wyszczególniłby on dwa różne białka, ponieważ kodon miałby odwróconą sekwencję zasad:

6. Kod jest zdegenerowany:

Więcej niż jeden kodon może określać ten sam aminokwas; nazywa się to degeneracją kodu. Na przykład, z wyjątkiem tryptofanu i metioniny, które mają jeden kodon każdy, wszystkie inne 18 aminokwasów mają więcej niż jeden kodon. Zatem dziewięć aminokwasów, mianowicie fenyloalanina, tyrozyna, histydyna, glutamina, asparagina, lizyna, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy i cysteina, mają po dwa kodony. Izoleucyna ma trzy kodony. Pięć aminokwasów, mianowicie walina, prolina, treonina, alanina i glicyna, mają po cztery kodony. Trzy aminokwasy, mianowicie leucyna, arginina i seryna, mają po sześć kodonów (patrz Tabela 38.5).

Degeneracja kodu składa się z dwóch typów: częściowej i całkowitej. Częściowa degeneracja występuje, gdy pierwsze dwa nukleotydy są identyczne, ale trzeci (tj. 3? Zasadowy) nukleotyd zdegenerowanych kodonów różni się, np. Kod CUU i CUC dla leucyny, Całkowita degeneracja występuje, gdy dowolna z czterech zasad może zająć trzecią pozycję i nadal kod dla tego samego aminokwasu (np. kod UCU, UCC, UCA i UCG dla seryny).

Degeneracja kodu genetycznego ma pewne zalety biologiczne. Na przykład, pozwala na to, aby zasadniczo ten sam dopełniacz enzymów i innych białek był określany przez mikroorganizmy o różnym składzie DNA. Degeneracja zapewnia również mechanizm minimalizacji śmiertelności mutacyjnej.

7. Niektóre kody działają jako kodeki start:

W większości organizmów kodon AUG jest kodonem startowym lub inicjacyjnym, tj. Łańcuch polipeptydowy rozpoczyna się albo metioniną (eukariotami) albo N-formylometioniną (prokariotami). Metionyl lub N-formylometionyl-tRNA swoiście wiążą się z miejscem inicjacji mRNA zawierającym kodon inicjacji AUG. W rzadkich przypadkach GUG służy również jako kodon inicjacyjny, np. Synteza białek bakteryjnych. Zwykle kody GUG dla waliny, ale gdy normalny kodon AUG jest tracony przez delecję, tylko wtedy GUG jest używany jako kodon inicjacyjny.

8. Niektóre kody działają jako kodony stop:

Trzy kodony UAG, UAA i UGA są kodonami końca łańcucha lub terminacji. Nie kodują żadnego z aminokwasów. Te kodony nie są odczytywane przez żadną cząsteczkę tRNA (przez ich antykozony), ale są odczytywane przez niektóre specyficzne białka, zwane czynnikami uwalniania (np. RF-1, RF-2, RF-3 u prokariotów i RF w eukariotach). Te kodony są również nazywane kodonami nonsensownymi, ponieważ nie określają żadnego aminokwasu.

UAG był pierwszym kodonem terminacji, który odkrył Sidney Brenner (1965). Został nazwany bursztynem po absolwentce o nazwisku Bernstein (= niemieckie słowo "bursztyn" i bursztynowy oznacza brązowawożółty), który pomaga w odkryciu klasy mutacji. Wydaje się, że dla nadania jednolitości pozostałe dwa kodony terminacji zostały również nazwane po kolorach takich jak ochra dla UAA i opal lub umber dla UGA. (Ochra oznacza żółtą czerwoną lub jasnożółtą, opal oznacza mlecznobiałą a umbra oznacza brązową). Istnienie więcej niż jednego kodonu stop może być środkiem bezpieczeństwa, na wypadek, gdyby pierwszy kodon nie działał.

9. Kod jest uniwersalny:

Ten sam kod genetyczny jest prawidłowy dla wszystkich organizmów, od bakterii po człowieka. Tę uniwersalność kodu zademonstrowali Marshall, Caskey i Nirenberg (1967), którzy stwierdzili, że aminoacyl-tRNA E. coli (Bacterium), Xenopus laevis (Amphibian) i świnki morskiej (ssak) używają prawie tego samego kodu. Nirenberg stwierdził również, że kod genetyczny mógł rozwinąć się 3 miliardy lat temu wraz z pierwszymi bakteriami i bardzo się zmienił podczas ewolucji organizmów żywych.

Ostatnio odkryto pewne różnice między uniwersalnym kodem genetycznym a mitochondrialnym kodem genetycznym (tabela 38.6).

Tabela 38.6. Różnice między "uniwersalnym kodem genetycznym" a dwoma mitochondrialnymi kodami genetycznymi:

* Kursywa wskazuje, że kod różni się od kodu "uniwersalnego".