Cod genetic - Biologie

cod genetic este o regulă conform căreia grupurile de trei nucleobaze succesive din acizi nucleici - numiți triplete sau codoni - sunt traduse în aminoacizi. Această traducere, numită traducere, are loc atunci când aminoacizii sunt legați de diferiți acizi ribonucleici de transfer (ARNt), prin care aminoacizii sunt aranjați sau activați pentru asamblarea lor în proteine.

Acizii ribonucleici de transfer diferă prin tripletul lor de nucleotide situat într-un sit molecular proeminent, care constă din trei nucleotide fiecare, care corespund nucleotidelor unui anumit codon (sunt complementare), deci un tripartit Anticodon formă. Codonul și anticodonul sunt o potrivire specifică și li se atribuie un anumit aminoacid conform codului genetic. Aminoacidul pentru care se află codonul corespunzător anticodonului ARNt este legat de fiecare acid ribonucleic de transfer. În acest fel, prin legarea specifică a unui aminoacid la un ARNt cu un anticodon prevăzut de acesta prin codul genetic, simbolul unui anumit aminoacid, codonul, se traduce în aminoacidul prescris de codul genetic. Strict vorbind, traducerea este deja conținută în structura diferitelor tipuri de ARNt: Fiecare moleculă de ARNt conține un site de legare a aminoacizilor structurat în așa fel încât numai aminoacidul care se potrivește cu anticodonul acestui ARNt în conformitate cu codul genetic poate fi legat de acesta.

După ce aminoacizii s-au legat de ARNt, poate începe sinteza proteinei definită de secvența codonilor dintr-un acid dezoxiribonucleic (ADN). Ca o condiție prealabilă pentru această sinteză, segmentul ADN al unei gene este mai întâi transformat într-un acid ribonucleic mesager (ARNm) (transcripție); după aceasta, anumite părți ale acestui ARNm sunt îndepărtate în mod deliberat în eucariote (splicing). În cele din urmă, aminoacizii ARNt care se potrivesc cu codonii sunt legați împreună pentru a forma un lanț polipeptidic.

Toți pașii care urmează sintezei și îmbinării ARNm până la sinteza proteinelor, inclusiv sinteza proteinelor sunt denumiți traducere, deoarece conversia secvenței triplete a ADN-ului într-o secvență de aminoacizi devine clară în timpul sintezei proteinelor. Aplicarea efectivă a codului genetic, translația unui codon într-un aminoacid, are loc numai atunci când aminoacizii sunt legați de ARNt, adică atunci când aminoacizii sunt pregătiți pentru a asambla proteinele. Unele triplete de baze nu codifică un aminoacid. Acestea sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de codoni aiurea. Acestea duc la o oprire a traducerii care pune capăt sintezei proteinelor (codoni de oprire).

Practic, toate ființele vii folosesc același cod genetic. Cea mai comună versiune este dată în tabelele următoare. Acestea arată ce aminoacizi din 4 3 = 64 codoni posibili codificat și care codoni codifică fiecare dintre cei 20 de aminoacizi canonici utilizați în traducere. De exemplu, codonul GAU reprezintă aminoacidul Asp (acid aspartic), iar Cys (cisteina) este codificat de codonii UGU și UGC. Bazele utilizate în tabel sunt adenina, guanina, citozina și uracilul ARNm; în ADN, în locul uracilului se folosește timina.

Povestea descoperirii

În prima jumătate a anilor 1960 a existat o oarecare concurență între biochimiști pentru înțelegerea codului genetic. La 27 mai 1961, la ora 3 dimineața, biochimistul german Heinrich Matthaei a realizat descoperirea decisivă în laboratorul lui Marshall Nirenberg cu experimentul poli-U: descifrarea codonului UUU pentru aminoacidul fenilalanină. Acest experiment este descris de unii geneticieni ca fiind cel mai important din secolul al XX-lea. În 1966, la cinci ani după ce primul codon a fost descifrat, codul genetic a fost complet descifrat cu toate cele 64 de triplete de bază.

Codon

Cand Codon una descrie secvența a trei nucleobaze (triplet de bază) al ARNm, care codifică un aminoacid în codul genetic. Există un total de 4 3 = 64 de codoni posibili, dintre care trei sunt codoni aiurea, aceștia sunt folosiți pentru a termina traducerea, restul de 61 codificând cei 20 de aminoacizi canonici, proteinogeni. Există mai multe codificări diferite pentru mulți aminoacizi. Codificarea ca triplet este totuși necesară, deoarece cu o codificare dublet ar rezulta doar 4 2 = 16 codoni posibili și, prin urmare, nu ar fi disponibile suficiente posibilități pentru a acoperi toți cei 20 de aminoacizi canonici.

Traducerea începe cu un codon de pornire, dar acest lucru singur nu este suficient pentru a începe procesul. Anumite secvențe de inițiere apropiate de codonul de start sunt, de asemenea, necesare pentru a produce transcrierea în ARNm și legarea acestuia de ribozom. Cel mai important codon de pornire este AUG, care codifică și metionina. CUG și UUG, precum și GUG și AUU în procariote, funcționează și ele, dar cu mult mai puțină eficiență. Primul aminoacid este întotdeauna metionina.

Traducerea se încheie cu unul dintre cei trei codoni stop, care sunt numiți și codoni aiurea. Inițial, acești codoni au primit nume - UAG este chihlimbar (chihlimbar), UGA este opal (opal), iar UAA este ocru (ocru), o piesă pe numele descoperitorului său (Harris Bernstein).

În timp ce codonul UGA este utilizat mai ales ca Stop este citit, rareori și numai în anumite condiții poate reprezenta un al 21-lea aminoacid: selenocisteina (sec.). Biosinteza și mecanismul de încorporare a selenocisteinei în proteine este foarte diferit de cel al tuturor celorlalți aminoacizi: inserția sa necesită o nouă etapă de traducere în care un UGA este interpretat diferit într-un anumit mediu de secvență și împreună cu anumiți cofactori. Acest lucru necesită un ARNt specific selenocisteinei specific (ARNt Sec), care la vertebrate poate fi încărcat cu trei aminoacizi diferiți, dar înrudiți: serină, selenocisteină și fosfoserină.

Unele arhee și bacterii utilizează un codon de oprire UAG pentru un al 22-lea aminoacid proteinogen: pirolizina.

Degenerare și iertare

Dacă un codon este decodificat incorect în timpul traducerii (se folosește un aminoacid incorect), structura proteinei produse nu mai este corectă și nu mai funcționează conform intenției. Aparent, foarte devreme în istoria evoluției, a fost util ca codul genetic să aibă o anumită toleranță la erori: este ceea ce este cunoscut sub numele de cod degenerat Cod, ceea ce înseamnă că o unitate semantică este codificată de mai multe simboluri sintactice diferite: minus codonii de oprire, sunt disponibili 61 de codoni diferiți, dar trebuie codați doar 20 de aminoacizi. După cum se poate vedea în tabelul de mai sus, pentru unii aminoacizi sunt folosite mai multe coduri. Acestea diferă de obicei doar într-una din cele trei baze. (Acest lucru vă oferă o distanță minimă în spațiul de cod, consultați Distanța Hamming.) Dacă una dintre baze este citită incorect, probabilitatea ca aminoacidul corect să fie selectat în continuare este încă de 60%. Majoritatea codonilor în cauză diferă, de asemenea, în a treia bază („oscilație”) a unui codon, care este cel mai adesea citită greșit în timpul traducerii.

În plus, aminoacizii care sunt mai frecvenți în proteine decât alții au mai mulți codoni care îi codifică.

Este de remarcat faptul că caracterul unui aminoacid este determinat în mare măsură de poziția de mijloc a unui triplet:

U (ARN)/T (ADN) - hidrofob
C - polar spre neutru
A - încărcat
G - încărcat, neutru până la polar

Din aceasta rezultă că substituțiile radicale (schimbul de aminoacizi cu un caracter diferit) sunt în primul rând rezultatul mutațiilor din această a doua poziție. Mutațiile din prima, dar mai ales în a treia poziție („oscilație”), pe de altă parte, conțin adesea aminoacidul sau cel puțin caracterul său „substituție conservatoare”. Dacă se ia în considerare, de asemenea, că tranzițiile (conversia purinelor sau pirimidinelor una în alta) apar mai frecvent decât transversiile (conversia unei purine în pirimidină și invers; acest proces necesită de obicei depurarea) din motive mecaniciste, există o altă explicație pentru cea conservatoare Caracterul codului.

Originea codului genetic

Cuvântul „cod genetic” a fost inventat de Erwin Schrödinger în cartea sa din 1944 „Was ist Leben?” Locația exactă a codului era încă neclară în acel moment.

Se credea că codul genetic a apărut întâmplător. În 1968, Francis Crick a descris-o încă ca pe o „coincidență înghețată”. Cercetările din 2004 sugerează, totuși, că este rezultatul unei optimizări riguroase în ceea ce privește toleranța la erori. Erorile sunt deosebit de grave pentru structura spațială a unei proteine dacă hidrofobia unui aminoacid încorporat incorect diferă semnificativ de originalul. Într-o analiză statistică, dintr-un milion de coduri aleatorii, doar 100 sunt mai bune decât cel real. Dacă se iau în considerare factori suplimentari la calcularea toleranței la erori, care corespund tiparelor tipice de mutații și erori de citire, acest număr este chiar redus la 1 din 1 milion. [1]

Universalitatea codului

Principiu de bază

Este de remarcat faptul că, în principiu, codul genetic este același pentru toate ființele vii, cu câteva excepții, adică toate ființele vii folosesc același „limbaj genetic”. Deoarece un anumit codon reprezintă întotdeauna același aminoacid, este posibil în ingineria genetică de ex. să introducă gena pentru insulina umană în bacterii astfel încât acestea să producă apoi insulină. Acest principiu este cunoscut sub numele de „universalitatea codului”. Evoluția explică acest lucru în așa fel încât codul genetic s-a format foarte devreme în istoria vieții și apoi a fost transmis tuturor speciilor în curs de dezvoltare. O astfel de generalizare nu exclude faptul că frecvența diferitelor cuvinte cod (așa-numita utilizare a codonilor) poate diferi între organisme.

Excepții

Există, de asemenea, excepții de la universalitatea codului genetic: De exemplu, în mitocondrii (organitele celulei de conversie a energiei), care provin probabil de la bacteriile simbiotice (teoria endosimbiontului) și care conțin propriul lor material genetic (pe lângă ADN-ul nucleului celular), folosește o formă ușor modificată a codului.

Ciliații prezintă, de asemenea, abateri de la codul standard: UAG și adesea și UAA, cod pentru glutamină; această abatere se găsește și la unele alge verzi. UGA reprezintă, uneori, și cisteină. O altă variantă se găsește în drojdie Candida, unde CUG codifică serina.

Există, de asemenea, câteva variante de aminoacizi utilizați de bacterii (bacterii) și archaea (Archaea); codonul de oprire UGA poate, așa cum s-a descris mai sus, codifica selenocisteina și UAG pirolizina. Nu se poate exclude existența altor variante de codare care nu au fost încă descoperite.

În prezent, există 16 abateri cunoscute în atribuirea unui aminoacid unui codon (triplet de bază al ARNm) de la codul standard: