Genetisk kodeks: Egenskaber og undtagelser af genetisk kode

Læs denne artikel for at lære om den genetiske kode: egenskaber og undtagelser fra den genetiske kode

Selvom DNA består af kun fire typer nukleotider, kan sidstnævnte placeres på utallige måder. En DNA-kæde med kun ti nukleotidlængder kan således have 4 ¹⁰ eller 1.048.576 typer af tråde. Da et enkelt DNA-molekyle har flere tusinde nucleotider, kan en grænseløs specificitet inkorporeres i DNA'et.

Image Courtesy: wolfson.huji.ac.il/expression/vector/genetic_code.jpg

Der er en intim forbindelse mellem gener og syntese af polypeptider eller enzymer. I moderne terminologi refererer et gen til en cistron af DNA. En cistron er lavet af et stort antal nukleotider. Arrangement af nukleotider eller deres nitrogenbaser er forbundet med syntesen af ​​proteiner ved at påvirke inkorporeringen af ​​aminosyrer i dem. Forholdet mellem sekvensen af ​​aminosyrer i et polypeptid og en nukleotidsekvens af DNA eller mRNA hedder genetisk kode.

Der er et problem. DNA indeholder kun fire typer nitrogenbaser eller nukleotider, mens antallet af aminosyrer er 20. Det var derfor hypoteset af George Gamow, en fysiker, at tripletkoden (bestående af tre tilstødende baser for en aminosyre) er operativ. En række undersøgelser har bidraget til at dekode den genetiske kode i 1960'erne, f.eks. Francis HC Crick, Severo Ochoa, Marshal W. Nirenberg, Hargobind Khorana og JH Matthaei.

Severo Ochoa opdagede polynukleotidphosphorylase, der kunne polymerisere ribonukleotider til frembringelse af RNA uden nogen skabelon. Hargobind Khorana udviklede teknikken til syntetisering af RNA-molekyler med veldefineret kombination af baser (homopolymerer og copolymerer).

Marshall Nirenberg fandt ud af metoden til proteinsyntese i cellefrie systemer. I 1968 blev Nobelprisen tildelt Holley, Nirenberg og Khorana for deres arbejde med genetisk kode og dets arbejde. De forskellige undersøgelser, der hjalp med at dechifrere tripletgenetiske koden, er som følger:

1. Crick et al (1961) observerede, at deletion eller tilsætning af et eller to basepar i DNA af T4 bakteriofag forstyrret normal DNA-funktion. Men da tre basepar blev tilføjet eller slettet, var forstyrrelsen mindst.

2. Nirenberg og Matthaei (1961) hævdede, at en enkelt kode (en aminosyre specificeret af en nitrogenbase) kun kan specificere 4 syrer (4 ¹ ), en dubletkode kun 16 (4 ² ), mens en tripletkode kan angive op til 64 aminosyrer (43). Da der er 20 aminosyrer, kan en tripletkode (tre nitrogenbaser for en aminosyre) være operativ.

3. Nirenberg (1961) fremstillede polymerer af de fire nukleotider - UUUUUU .. (Polyuridylsyre), CCCCCC ... (Polycytidylsyre), AAAAAA ... (polyadenylsyre) og GGGGGG ... (Polyguanylsyre). Han observerede, at poly-U stimulerede dannelsen af ​​polyphenylanalin, poly-C af polyprolin, medens poly-A hjalp til dannelse af polylysin. Poly-G fungerede imidlertid ikke (det dannede tredobbeltstrenget struktur, som ikke fungerer i oversættelse). Senere blev GGG fundet at kode for aminosyre glycin.

4. Khorana (1964) syntetiserede copolymerer af nukleotider som UGUGUGUG ... og observerede, at de stimulerede dannelsen af ​​polypeptider, der skiftevis havde lignende aminosyrer som cystein-valin-cystein. Dette er kun muligt, hvis tre tilstødende nucleotider specificerer en aminosyre (f.eks. UGU) og andre tre den anden aminosyre (f.eks. GUG).

5. Tripletkodonerne blev bekræftet ved in vivo kodonetildeling gennem:

(i) aminosyreudskiftningsundersøgelser

(ii) rammeforskydningsmutationer.

6. Langsomt blev alle kodonerne udarbejdet (tabel 6.4). Nogle aminosyrer er specificeret af mere end et codon. Kodesprogene for DNA og mRNA er komplementære. De to kodoner for phenylalanin er således UUU og UUC i tilfælde af mRNA, mens de er AAA og AAG for DNA. Normalt repræsenterer genetisk kode mRNA-sprog. Dette skyldes, at de cytoplasmatiske bestanddele kan læse koden fra mRNA og ikke det DNA, der er til stede inde i kernen.

Egenskaber:

1. Tripletkode:

Tre tilstødende nitrogenbaser udgør en kodon, som specificerer placeringen af ​​en aminosyre i et polypeptid.

2. Start Signal:

Polypeptidsyntese signaleres af to initieringskodoner - almindeligvis AUG eller methioninkodon og rafdly GUG eller valinkodon. De har to funktioner.

3. Stop Signal:

Polypeptidkædeafslutning signaleres af tre termineringskodoner - UAA (oker), UAG (rav) og UGA (opal). De angiver ikke nogen aminosyre og kaldes derfor også nonsenscodoner.

4. Universal kode:

Den genetiske kode er universel, dvs. en codon angiver den samme aminosyre fra en virus til et træ eller menneske. Således producerer mRNA fra chick-ovidukt, der introduceres i Escherichia coli, ovalbumen i bakterien, som er nøjagtigt den samme som en, der er dannet i chick.

5. Ikke-entydige kodoner:

Et kodon angiver kun en aminosyre og ikke nogen anden.

6. Relaterede kodoner:

Aminosyrer med lignende egenskaber har beslægtede codoner, fx aromatiske aminosyrer tryptophan (UGG), phenylalanin (UUC, UUU), tyrosin (UAC, UAU).

7. Forhold:

Den genetiske kode er kontinuerlig og har ikke pauser efter tripletterne. Hvis et nukleotid er slettet eller tilsat, vil hele den genetiske kode læses forskelligt. Et polypeptid med 50 aminosyrer skal således specificeres af en lineær sekvens på 150 nukleotider. Hvis et nukleotid tilsættes eller deleteres midt i denne sekvens, vil de første 25 aminosyrer af polypeptid være ens, men de næste 25 aminosyrer vil være helt forskellige.

8. Polaritet:

Genetisk kode har en polaritet. Koden for mRNA læses fra 5 '-> 3' retningen.

9. Ikke-overlappende kode:

En nitrogenbase er specificeret af kun et codon.

10. Degeneracy of Code:

Da der er 64 tripletkodoner og kun 20 aminosyrer, skal indarbejdelsen af ​​nogle aminosyrer påvirkes af mere end et codon. Kun tryptofan (UGG) og methionin (AUG) er specificeret af enkeltkodoner. Alle andre aminosyrer er specificeret af to (fx phenylalanin - UUU, UUC) til seks (f.eks. Arginin - CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG) codoner.

Sidstnævnte kaldes degenererede eller overflødige codons. I degenererede kodoner er de første to nitrogenbaser generelt de samme, mens den tredje er forskellig. Da den tredje nitrogenbase ikke har nogen virkning på kodning, kaldes det samme wobble position (Wobble hypothesis; Crick, 1966).

11. Colinearity:

Både polypeptid og DNA eller mRNA har et lineært arrangement af deres komponenter. Yderligere svarer sekvensen af ​​tripletnukleotidbaser i DNA eller mRNA til sekvensen af ​​aminosyrer i polypeptidet fremstillet under ledelse af den førstnævnte. Ændring i kodonsekvens frembringer også en lignende ændring i aminosyresekvens af polypeptid.

12. Cistron-Polypeptid Paritet:

Dele af DNA kaldet cistron (= gen) specificerer dannelsen af ​​et bestemt polypeptid. Det betyder, at det genetiske system skal have så mange cistrons (= gener) som de typer af polypeptider der findes i organismen.

Undtagelser:

1. Forskellige kodoner:

I Paramecium og nogle andre ciliater er termineringskodonerne UAA og UGA-kode for glutamin.

2. Overlappende gener:

ф x 174 har 5375 nucleotider, der koder for 10 proteiner, der kræver mere end 6000 baser. Tre af sine gener E, В og К overlapper andre gener. Nukleotidsekvensen ved begyndelsen af ​​E-genet er indeholdt i gen D. Ligeledes overlapper genet K med gener A og C. En lignende tilstand findes i SV-40.

3. Mitokondrie gener:

AGG og AGA-kode for arginin, men fungere som stop signaler i human mitochondrion. UGA, en termineringskodon, svarer til tryptophan, mens AUA (codon for isoleucin) betegner methionin i humane mitokondrier.