Genetický kód vyjadrený v kodónoch je systém kódovania informácií o štruktúre proteínov, ktoré sú vlastné všetkým živým organizmom na planéte. Jeho dekódovanie trvalo desaťročie, ale skutočnosť, že existuje, veda pochopila takmer celé storočie. Univerzálnosť, špecifickosť, jednosmernosť a najmä degenerácia genetického kódu majú veľký biologický význam.
História objavov
Problém kódovania genetickej informácie bol v biológii vždy kľúčový. Veda postupovala pomerne pomaly smerom k matricovej štruktúre genetického kódu. Od objavu dvojzávitnicovej štruktúry DNA J. Watsona a F. Cricka v roku 1953 sa začalo štádium odhaľovania samotnej štruktúry kódu, čo podnietilo vieru vo veľkosť prírody. Lineárna štruktúra proteínov a rovnaká štruktúra DNA implikovali prítomnosť genetického kódu ako zhody dvoch textov, ale napísaných pomocou rôznych abecied. A keďbola známa abeceda bielkovín, potom sa znaky DNA stali predmetom štúdia biológov, fyzikov a matematikov.
Nemá zmysel popisovať všetky kroky pri riešení tejto hádanky. Priamy experiment, ktorý dokázal a potvrdil, že existuje jasná a konzistentná zhoda medzi kodónmi DNA a proteínovými aminokyselinami, uskutočnili v roku 1964 C. Janowski a S. Brenner. A potom - obdobie dešifrovania genetického kódu in vitro (in vitro) pomocou techník syntézy bielkovín v bezbunkových štruktúrach.
Úplne rozlúštený kód E. coli bol zverejnený v roku 1966 na sympóziu biológov v Cold Spring Harbor (USA). Potom bola objavená redundancia (degenerácia) genetického kódu. Čo to znamená, bolo vysvetlené celkom jednoducho.
Dekódovanie pokračuje
Získanie údajov o dekódovaní dedičného kódu sa stalo jednou z najvýznamnejších udalostí minulého storočia. Dnes veda pokračuje v hĺbkovom štúdiu mechanizmov molekulárnych kódovaní a ich systémových znakov a nadmerného množstva znakov, čo vyjadruje vlastnosť degenerácie genetického kódu. Samostatným študijným odborom je vznik a vývoj kódovacieho systému pre dedičný materiál. Dôkaz o vzťahu medzi polynukleotidmi (DNA) a polypeptidmi (proteínmi) dal impulz pre rozvoj molekulárnej biológie. A to zase k biotechnológii, bioinžinierstvu, objavom v selekcii a pestovaní plodín.
Dogmy a pravidlá
Hlavná dogma molekulárnej biológie – informácia sa prenáša z DNA do informácieRNA a potom z nej na proteín. V opačnom smere je možný prenos z RNA do DNA az RNA do inej RNA.
Ale matricou alebo základom je vždy DNA. A všetky ostatné základné znaky prenosu informácií sú odrazom tejto matricovej povahy prenosu. Totiž prenos syntézou na matricu iných molekúl, ktoré sa stanú štruktúrou reprodukcie dedičnej informácie.
Genetický kód
Lineárne kódovanie štruktúry proteínových molekúl sa uskutočňuje pomocou komplementárnych kodónov (tripletov) nukleotidov, z ktorých sú len 4 (adeín, guanín, cytozín, tymín (uracil)), čo spontánne vedie k vzniku iného reťazca nukleotidov. Rovnaký počet a chemická komplementarita nukleotidov je hlavnou podmienkou takejto syntézy. Ale počas tvorby proteínovej molekuly neexistuje žiadna zhoda medzi množstvom a kvalitou monomérov (nukleotidy DNA sú proteínové aminokyseliny). Toto je prirodzený dedičný kód - systém zaznamenávania sekvencie nukleotidov (kodónov) sekvencie aminokyselín v proteíne.
Genetický kód má niekoľko vlastností:
- Trojpočetnosť.
- Jedinečnosť.
- Orientácia.
- Neprekrývajú sa.
- Redundancia (degenerácia) genetického kódu.
- Všestrannosť.
Poďme stručne opísať so zameraním na biologický význam.
Trojpočetnosť, kontinuita a semafory
Každá zo 61 aminokyselín zodpovedá jednému sémantickému tripletu (trojici) nukleotidov. Tri triplety nenesú informáciu o aminokyseline a sú to stop kodóny. Každý nukleotid v reťazci je súčasťou tripletu a neexistuje samostatne. Na konci a na začiatku reťazca nukleotidov zodpovedných za jeden proteín sú stop kodóny. Spúšťajú alebo zastavujú transláciu (syntézu molekuly proteínu).
Špecifické, neprekrývajúce sa a jednosmerné
Každý kodón (triplet) kóduje iba jednu aminokyselinu. Každá trojica je nezávislá od susednej a neprekrýva sa. Jeden nukleotid môže byť zahrnutý iba v jednom triplete v reťazci. Syntéza bielkovín ide vždy len jedným smerom, ktorý je regulovaný stop kodónmi.
Redundancia genetického kódu
Každý triplet nukleotidov kóduje jednu aminokyselinu. Celkovo je 64 nukleotidov, z ktorých 61 kóduje aminokyseliny (sense kodóny) a tri sú bezvýznamné, to znamená, že nekódujú aminokyselinu (stop kodóny). Redundancia (degenerácia) genetického kódu spočíva v tom, že v každom triplete môžu byť uskutočnené substitúcie - radikálne (vedú k náhrade aminokyselín) a konzervatívne (nemenia triedu aminokyselín). Je ľahké vypočítať, že ak je možné vykonať 9 substitúcií v triplete (polohy 1, 2 a 3), každý nukleotid môže byť nahradený 4 - 1=3 ďalšími možnosťami, potom celkový počet možných substitúcií nukleotidov bude 61 x 9=549.
Degenerácia genetického kódu sa prejavuje v tom, že 549 variantov je oveľa viac akopotrebné na zakódovanie informácií o 21 aminokyselinách. Zároveň z 549 variantov 23 substitúcií povedie k vytvoreniu stop kodónov, 134 + 230 substitúcií je konzervatívnych a 162 substitúcií je radikálnych.
Pravidlo degenerácie a vylúčenia
Ak dva kodóny majú dva identické prvé nukleotidy a zvyšok sú nukleotidy rovnakej triedy (purín alebo pyrimidín), potom nesú informáciu o tej istej aminokyseline. Toto je pravidlo degenerácie alebo nadbytočnosti genetického kódu. Dve výnimky – AUA a UGA – prvá kóduje metionín, hoci by to mal byť izoleucín, a druhá je stop kodón, hoci by mal kódovať tryptofán.
Význam degenerácie a univerzálnosti
Práve tieto dve vlastnosti genetického kódu majú najväčší biologický význam. Všetky vyššie uvedené vlastnosti sú charakteristické pre dedičnú informáciu všetkých foriem živých organizmov na našej planéte.
Degenerácia genetického kódu má adaptívnu hodnotu, ako napríklad viacnásobná duplikácia kódu jednej aminokyseliny. Navyše to znamená zníženie významnosti (degenerácie) tretieho nukleotidu v kodóne. Táto možnosť minimalizuje mutačné poškodenie v DNA, čo povedie k hrubým narušeniam proteínovej štruktúry. Toto je obranný mechanizmus živých organizmov planéty.
