Genetski kod, izražen u kodonima, je sistem za kodiranje informacija o strukturi proteina, svojstvenih svim živim organizmima na planeti. Njegovo dekodiranje trajalo je čitavu deceniju, ali činjenicu da postoji, nauka je shvatila skoro jedan vek. Univerzalnost, specifičnost, jednosmjernost, a posebno degeneracija genetskog koda su od velike biološke važnosti.
Historija otkrića
Problem kodiranja genetskih informacija oduvijek je bio ključni u biologiji. Nauka se prilično sporo kretala prema matričnoj strukturi genetskog koda. Otkad su J. Watson i F. Crick 1953. otkrili dvostruku spiralnu strukturu DNK, započela je faza razotkrivanja same strukture koda, što je potaknulo vjeru u veličinu prirode. Linearna struktura proteina i ista struktura DNK implicirali su prisustvo genetskog koda kao korespondencije dva teksta, ali napisana različitim alfabetima. I akoabeceda proteina je bila poznata, tada su znakovi DNK postali predmet proučavanja biologa, fizičara i matematičara.
Nema smisla opisivati sve korake u rješavanju ove zagonetke. Direktan eksperiment, koji je dokazao i potvrdio da postoji jasna i konzistentna podudarnost između DNK kodona i proteinskih aminokiselina, izveli su 1964. C. Janowski i S. Brenner. A onda - period dešifrovanja genetskog koda in vitro (in vitro) tehnikama sinteze proteina u strukturama bez ćelija.
Potpuno dešifrovani kod E. coli objavljen je 1966. godine na simpozijumu biologa u Cold Spring Harboru (SAD). Tada je otkrivena redundancija (degeneracija) genetskog koda. Šta to znači objašnjeno je prilično jednostavno.
Dekodiranje se nastavlja
Dobijanje podataka o dekodiranju nasljednog koda postalo je jedan od najznačajnijih događaja prošlog stoljeća. Danas nauka nastavlja da dubinski proučava mehanizme molekularnog kodiranja i njegove sistemske karakteristike i preobilje znakova, što izražava svojstvo degeneracije genetskog koda. Posebna grana proučavanja je pojava i evolucija sistema kodiranja za nasljedni materijal. Dokazi o povezanosti polinukleotida (DNK) i polipeptida (proteina) dali su poticaj razvoju molekularne biologije. A to zauzvrat biotehnologiji, bioinženjeringu, otkrićima u selekciji i proizvodnji usjeva.
Dogme i pravila
Glavna dogma molekularne biologije - informacije se prenose sa DNK na informacijuRNK, a zatim od nje do proteina. U suprotnom smjeru, prijenos je moguć sa RNK na DNK i sa RNK na drugu RNK.
Ali matrica ili osnova je uvijek DNK. I sve ostale fundamentalne karakteristike prijenosa informacija su odraz ove matrične prirode prijenosa. Naime, transfer sintezom na matricu drugih molekula, koji će postati struktura reprodukcije nasljedne informacije.
Genetski kod
Linearno kodiranje strukture proteinskih molekula vrši se korištenjem komplementarnih kodona (trojki) nukleotida, kojih ima samo 4 (adein, guanin, citozin, timin (uracil)), što spontano dovodi do stvaranja drugog lanca nukleotida. Isti broj i hemijska komplementarnost nukleotida je glavni uslov za takvu sintezu. Ali tokom formiranja proteinske molekule ne postoji korespondencija između količine i kvaliteta monomera (DNK nukleotidi su proteinske aminokiseline). Ovo je prirodni nasljedni kod - sistem snimanja u nizu nukleotida (kodona) sekvence aminokiselina u proteinu.
Genetski kod ima nekoliko svojstava:
- Triplet.
- Jedinstvenost.
- Orijentacija.
- Bez preklapanja.
- Redundancija (degeneracija) genetskog koda.
- Svestranost.
Dajmo kratak opis, fokusirajući se na biološki značaj.
Trojstvo, kontinuitet i stop svjetla
Svaka od 61 aminokiseline odgovara jednom semantičkom tripletu (trojci) nukleotida. Tri trojke ne nose informacije o aminokiselini i predstavljaju stop kodone. Svaki nukleotid u lancu je dio tripleta i ne postoji sam za sebe. Na kraju i na početku lanca nukleotida odgovornih za jedan protein nalaze se stop kodoni. Oni započinju ili zaustavljaju translaciju (sintezu proteinske molekule).
Specifično, bez preklapanja i jednosmjerno
Svaki kodon (triplet) kodira samo jednu aminokiselinu. Svaka trojka je nezavisna od susjedne i ne preklapa se. Jedan nukleotid može biti uključen u samo jedan triplet u lancu. Sinteza proteina uvijek ide samo u jednom smjeru, koji je reguliran stop kodonima.
Redundancije genetskog koda
Svaki triplet nukleotida kodira jednu aminokiselinu. Ukupno ima 64 nukleotida, od kojih 61 kodira aminokiseline (sense kodoni), a tri su besmislena, odnosno ne kodiraju aminokiselinu (stop kodoni). Redundantnost (degeneracija) genetskog koda leži u činjenici da se u svakom tripletu mogu izvršiti zamjene - radikalne (dovode do zamjene aminokiselina) i konzervativne (ne mijenjaju klasu aminokiselina). Lako je izračunati da ako se može napraviti 9 supstitucija u tripletu (pozicije 1, 2 i 3), svaki nukleotid može biti zamijenjen sa 4 - 1=3 druge opcije, tada će ukupan broj mogućih opcija supstitucije nukleotida biti 61 x 9=549.
Degeneracija genetskog koda se manifestuje u činjenici da je 549 varijanti mnogo više odneophodna za kodiranje informacija o 21 aminokiselini. Istovremeno, od 549 varijanti, 23 supstitucije će dovesti do formiranja stop kodona, 134 + 230 supstitucija su konzervativne, a 162 supstitucije su radikalne.
Pravilo degeneracije i isključenja
Ako dva kodona imaju dva identična prva nukleotida, a ostali su nukleotidi iste klase (purin ili pirimidin), onda oni nose informaciju o istoj aminokiselini. Ovo je pravilo degeneracije ili redundancije genetskog koda. Dva izuzetka - AUA i UGA - prvi kodira metionin, iako bi trebao biti izoleucin, a drugi je stop kodon, iako bi trebao kodirati triptofan.
Značenje degeneracije i univerzalnosti
Upravo ova dva svojstva genetskog koda imaju najveći biološki značaj. Sva gore navedena svojstva karakteristična su za nasljedne informacije svih oblika živih organizama na našoj planeti.
Degeneracija genetskog koda ima adaptivnu vrijednost, poput višestrukog umnožavanja koda jedne aminokiseline. Osim toga, to znači smanjenje značaja (degeneracija) trećeg nukleotida u kodonu. Ova opcija minimizira oštećenje mutacije u DNK, što će dovesti do grubih poremećaja u strukturi proteina. Ovo je odbrambeni mehanizam živih organizama planete.
