Genetska koda, izražena v kodonih, je sistem za kodiranje informacij o strukturi beljakovin, ki je neločljivo povezana z vsemi živimi organizmi na planetu. Njeno dekodiranje je trajalo desetletje, a dejstvo, da obstaja, je znanost razumela skoraj stoletje. Univerzalnost, specifičnost, enosmernost in predvsem degeneracija genetske kode so velikega biološkega pomena.
zgodovina odkritij
Problem kodiranja genetskih informacij je bil vedno ključni v biologiji. Znanost se je precej počasi premikala proti matrični strukturi genetske kode. Odkar sta J. Watson in F. Crick leta 1953 odkrila dvojno spiralno strukturo DNK, se je začela faza razkrivanja same strukture kode, ki je spodbudila vero v veličino narave. Linearna struktura proteinov in enaka struktura DNK sta namigovali na prisotnost genetske kode kot korespondence dveh besedil, vendar napisanih z različnimi abecedami. In čeabeceda beljakovin je bila znana, potem so znaki DNK postali predmet preučevanja biologov, fizikov in matematikov.
Nima smisla opisovati vseh korakov pri reševanju te uganke. Neposredni poskus, ki je dokazal in potrdil, da obstaja jasno in dosledno ujemanje med kodoni DNK in beljakovinskimi aminokislinami, sta leta 1964 izvedla C. Janowski in S. Brenner. In potem - obdobje dešifriranja genetske kode in vitro (in vitro) s tehnikami sinteze beljakovin v strukturah brez celic.
Popolnoma dešifrirana koda E. coli je bila objavljena leta 1966 na simpoziju biologov v Cold Spring Harboru (ZDA). Nato je bila odkrita redundanca (degeneracija) genetske kode. Kaj to pomeni, je bilo razloženo precej preprosto.
Dekodiranje se nadaljuje
Pridobivanje podatkov o dekodiranju dedne kode je postalo eden najpomembnejših dogodkov prejšnjega stoletja. Danes znanost še naprej poglobljeno preučuje mehanizme molekularnega kodiranja in njegove sistemske značilnosti ter preobilico znakov, kar izraža lastnost degeneracije genetske kode. Ločena veja študija je nastanek in razvoj sistema kodiranja dednega materiala. Dokazi o razmerju med polinukleotidi (DNK) in polipeptidi (beljakovine) so dali zagon razvoju molekularne biologije. In to v zameno za biotehnologijo, bioinženiring, odkritja v selekciji in pridelavi pridelkov.
Dogme in pravila
Glavna dogma molekularne biologije - informacije se prenašajo iz DNK v informacijoRNA, nato pa iz nje v beljakovine. V nasprotni smeri je možen prenos iz RNA v DNK in iz RNA v drugo RNA.
Toda matrica ali osnova je vedno DNK. In vse druge temeljne značilnosti prenosa informacij so odraz te matrične narave prenosa. In sicer prenos s sintezo na matriko drugih molekul, ki bodo postale struktura reprodukcije dednih informacij.
Genetska koda
Linearno kodiranje strukture beljakovinskih molekul se izvaja s pomočjo komplementarnih kodonov (trojčkov) nukleotidov, ki jih je le 4 (adein, gvanin, citozin, timin (uracil)), kar spontano vodi do tvorbe druge verige nukleotidov. Enako število in kemična komplementarnost nukleotidov je glavni pogoj za takšno sintezo. Toda med tvorbo beljakovinske molekule ni ujemanja med količino in kakovostjo monomerov (nukleotidi DNK so beljakovinske aminokisline). To je naravna dedna koda - sistem zapisovanja v zaporedju nukleotidov (kodonov) zaporedja aminokislin v beljakovini.
Genetska koda ima več lastnosti:
- Trojstvo.
- Edinstvenost.
- Orientacija.
- Brez prekrivanja.
- Redundanca (degeneracija) genetske kode.
- Vsestranskost.
Podajmo kratek opis, pri čemer se osredotočimo na biološki pomen.
Trojnost, kontinuiteta in zavorne luči
Vsaka od 61 aminokislin ustreza enemu pomenskemu tripletu (trojki) nukleotidov. Trije trojčki ne nosijo informacij o aminokislini in so stop kodoni. Vsak nukleotid v verigi je del tripleta in ne obstaja sam. Na koncu in na začetku verige nukleotidov, odgovornih za en protein, so stop kodoni. Začnejo ali ustavijo prevajanje (sintezo beljakovinske molekule).
Posebno, neprekrivajoče se in enosmerno
Vsak kodon (trojček) kodira samo eno aminokislino. Vsak trojček je neodvisen od sosednjega in se ne prekriva. En nukleotid je lahko vključen v samo en triplet v verigi. Sinteza beljakovin gre vedno samo v eno smer, ki jo uravnavajo stop kodoni.
Odvečne genetske kode
Vsak triplet nukleotidov kodira eno aminokislino. Skupno je 64 nukleotidov, od tega 61 kodira aminokisline (čutni kodoni), trije pa so brez pomena, torej ne kodirajo aminokisline (stop kodoni). Redundanca (degeneracija) genetske kode je v tem, da se lahko v vsakem tripletu izvedejo zamenjave - radikalne (vodijo do zamenjave aminokislin) in konzervativne (ne spreminjajo razreda aminokislin). Preprosto je izračunati, da če je mogoče izvesti 9 substitucij v tripletu (položaji 1, 2 in 3), lahko vsak nukleotid nadomestimo s 4 - 1=3 drugimi možnostmi, potem bo skupno število možnih možnosti substitucije nukleotidov 61 x 9=549.
Degeneracija genetske kode se kaže v tem, da je 549 variant veliko več kotpotrebno za kodiranje informacij o 21 aminokislinah. Hkrati bo od 549 variant 23 substitucij povzročilo nastanek stop kodonov, 134 + 230 substitucij je konzervativnih, 162 substitucij pa je radikalnih.
Pravilo degeneracije in izključitve
Če imata dva kodona dva enaka prva nukleotida, ostali pa so nukleotidi istega razreda (purin ali pirimidin), potem nosita informacije o isti aminokislini. To je pravilo degeneracije ali redundance genetske kode. Dve izjemi - AUA in UGA - prva kodira metionin, čeprav bi moral biti izolevcin, druga pa je stop kodon, čeprav bi moral kodirati triptofan.
Pomen degeneracije in univerzalnosti
Prav ti dve lastnosti genetske kode imata največji biološki pomen. Vse zgoraj naštete lastnosti so značilne za dedne informacije vseh oblik živih organizmov na našem planetu.
Degeneracija genetske kode ima prilagodljivo vrednost, kot je večkratno podvajanje kode ene aminokisline. Poleg tega to pomeni zmanjšanje pomena (degeneracija) tretjega nukleotida v kodonu. Ta možnost zmanjša poškodbe mutacije v DNK, kar bo povzročilo hude kršitve v strukturi beljakovin. To je obrambni mehanizem živih organizmov planeta.
