Genetický kód, vyjádřený v kodonech, je systém pro kódování informací o struktuře proteinů, který je vlastní všem živým organismům na planetě. Jeho dekódování trvalo deset let, ale fakt, že existuje, věda chápala téměř století. Univerzálnost, specifičnost, jednosměrnost a zejména degenerace genetického kódu mají velký biologický význam.
Historie objevů
Problém kódování genetické informace byl v biologii vždy klíčový. Věda postupovala poměrně pomalu směrem k matricové struktuře genetického kódu. Od objevu dvoušroubovicové struktury DNA J. Watsona a F. Cricka v roce 1953 začala fáze rozkrývání samotné struktury kódu, což podnítilo víru ve velikost přírody. Lineární struktura proteinů a stejná struktura DNA implikovaly přítomnost genetického kódu jako korespondence dvou textů, ale psaných pomocí různých abeced. A pokudbyla známa abeceda bílkovin, poté se znaky DNA staly předmětem studia biologů, fyziků a matematiků.
Nemá smysl popisovat všechny kroky při řešení této hádanky. Přímý experiment, který prokázal a potvrdil, že existuje jasná a konzistentní shoda mezi kodony DNA a proteinovými aminokyselinami, provedli v roce 1964 C. Janowski a S. Brenner. A pak - období dešifrování genetického kódu in vitro (in vitro) pomocí technik syntézy proteinů v bezbuněčných strukturách.
Zcela dešifrovaný kód E. coli byl zveřejněn v roce 1966 na sympoziu biologů v Cold Spring Harbor (USA). Poté byla objevena redundance (degenerace) genetického kódu. Co to znamená, bylo vysvětleno docela jednoduše.
Dekódování pokračuje
Získání dat o dekódování dědičného kódu se stalo jednou z nejvýznamnějších událostí minulého století. Dnes věda nadále do hloubky studuje mechanismy molekulárního kódování a jeho systémové rysy a nadbytek znaků, což vyjadřuje vlastnost degenerace genetického kódu. Samostatným oborem studia je vznik a vývoj kódovacího systému pro dědičný materiál. Důkazy vztahu mezi polynukleotidy (DNA) a polypeptidy (proteiny) daly impuls rozvoji molekulární biologie. A to zase k biotechnologii, bioinženýrství, objevům v selekci a produkci plodin.
Dogmata a pravidla
Hlavní dogma molekulární biologie – informace se přenášejí z DNA do informaceRNA a poté z ní na protein. V opačném směru je možný přenos z RNA do DNA az RNA do jiné RNA.
Ale matricí nebo základem je vždy DNA. A všechny ostatní základní rysy přenosu informace jsou odrazem této matricové povahy přenosu. Totiž přenos syntézou na matrici dalších molekul, které se stanou strukturou reprodukce dědičné informace.
Genetický kód
Lineární kódování struktury proteinových molekul se provádí pomocí komplementárních kodonů (tripletů) nukleotidů, z nichž jsou pouze 4 (adein, guanin, cytosin, thymin (uracil)), což samovolně vede ke vzniku jiného řetězce nukleotidů. Stejný počet a chemická komplementarita nukleotidů je hlavní podmínkou takové syntézy. Ale během tvorby molekuly proteinu neexistuje žádný soulad mezi množstvím a kvalitou monomerů (nukleotidy DNA jsou proteinové aminokyseliny). Toto je přirozený dědičný kód - systém zaznamenávání sekvence aminokyselin v proteinu do sekvence nukleotidů (kodonů).
Genetický kód má několik vlastností:
- Trojice.
- Jedinečnost.
- Orientace.
- Nepřekrývající se.
- Redundance (degenerace) genetického kódu.
- Všestrannost.
Uveďme stručný popis se zaměřením na biologický význam.
Trojice, kontinuita a semafory
Každá z 61 aminokyselin odpovídá jednomu sémantickému tripletu (trojice) nukleotidů. Tři triplety nenesou informaci o aminokyselině a jsou stop kodony. Každý nukleotid v řetězci je součástí tripletu a neexistuje sám o sobě. Na konci a na začátku řetězce nukleotidů odpovědných za jeden protein jsou stop kodony. Zahajují nebo zastavují translaci (syntézu molekuly proteinu).
Specifické, nepřekrývající se a jednosměrné
Každý kodon (triplet) kóduje pouze jednu aminokyselinu. Každá trojice je nezávislá na sousední a nepřekrývá se. Jeden nukleotid může být zahrnut pouze v jednom tripletu v řetězci. Syntéza proteinů jde vždy pouze jedním směrem, který je regulován stop kodony.
Redundance genetického kódu
Každý triplet nukleotidů kóduje jednu aminokyselinu. Existuje celkem 64 nukleotidů, z nichž 61 kóduje aminokyseliny (sense kodony) a tři jsou nesmyslné, to znamená, že nekódují aminokyselinu (stop kodony). Redundance (degenerace) genetického kódu spočívá v tom, že v každém tripletu lze provádět substituce - radikální (vedou k nahrazení aminokyselin) a konzervativní (nemění třídu aminokyselin). Je snadné spočítat, že pokud lze provést 9 substitucí v tripletu (pozice 1, 2 a 3), každý nukleotid může být nahrazen 4 - 1=3 dalšími možnostmi, pak celkový počet možných možností nukleotidové substituce bude 61 x 9=549.
Degenerace genetického kódu se projevuje ve skutečnosti, že 549 variant je mnohem více nežnezbytné pro zakódování informace o 21 aminokyselinách. Zároveň z 549 variant povede 23 substitucí k vytvoření stop kodonů, 134 + 230 substitucí je konzervativních a 162 substitucí radikálních.
Pravidlo degenerace a vyloučení
Pokud dva kodony mají dva identické první nukleotidy a zbytek jsou nukleotidy stejné třídy (purinové nebo pyrimidinové), pak nesou informaci o stejné aminokyselině. Toto je pravidlo degenerace nebo redundance genetického kódu. Dvě výjimky - AUA a UGA - první kóduje methionin, ačkoli by to měl být isoleucin, a druhá je stop kodon, ačkoli by měl kódovat tryptofan.
Význam degenerace a univerzálnosti
Právě tyto dvě vlastnosti genetického kódu mají největší biologický význam. Všechny výše uvedené vlastnosti jsou charakteristické pro dědičnou informaci všech forem živých organismů na naší planetě.
Degenerace genetického kódu má adaptivní hodnotu, jako je mnohonásobná duplikace kódu jedné aminokyseliny. Navíc to znamená snížení významnosti (degenerace) třetího nukleotidu v kodonu. Tato možnost minimalizuje mutační poškození v DNA, což povede k hrubým porušením struktury proteinu. Toto je obranný mechanismus živých organismů planety.
