Genetski kod, izražen u kodonima, je sustav za kodiranje informacija o strukturi proteina, svojstvenih svim živim organizmima na planeti. Njegovo dekodiranje trajalo je desetljeće, ali činjenicu da postoji, znanost je shvaćala gotovo cijelo stoljeće. Univerzalnost, specifičnost, jednosmjernost, a posebno degeneracija genetskog koda od velike su biološke važnosti.
Povijest otkrića
Problem kodiranja genetskih informacija oduvijek je bio ključni u biologiji. Znanost 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 podrazumijevala je postojanje genetskog koda kao korespondencije dvaju tekstova, ali napisanih različitim alfabetima. I akobila je poznata abeceda proteina, tada su znakovi DNK postali predmet proučavanja biologa, fizičara i matematičara.
Nema smisla opisivati sve korake u rješavanju ove zagonetke. C. Janowski i S. Brenner izveli su 1964. izravni eksperiment, koji je dokazao i potvrdio da postoji jasna i dosljedna podudarnost između DNA kodona i proteinskih aminokiselina. A onda - razdoblje dešifriranja genetskog koda in vitro (in vitro) tehnikama sinteze proteina u strukturama bez stanica.
Potpuno dešifrirani kod E. coli objavljen je 1966. na simpoziju biologa u Cold Spring Harboru (SAD). Tada je otkrivena redundancija (degeneracija) genetskog koda. Što to znači, objašnjeno je prilično jednostavno.
Dekodiranje se nastavlja
Dobivanje podataka o dekodiranju nasljednog koda postalo je jedan od najznačajnijih događaja prošlog stoljeća. Danas znanost nastavlja dubinski proučavati mehanizme molekularnog kodiranja i njegove sistemske značajke te preobilje znakova, što izražava svojstvo degeneracije genetskog koda. Zasebna grana studija je pojava i evolucija sustava kodiranja za nasljedni materijal. Dokazi o odnosu polinukleotida (DNA) 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 iz DNK u informacijuRNA, a zatim od nje do proteina. U suprotnom smjeru, prijenos je moguć s RNA na DNK i s RNA na drugu RNA.
Ali matrica ili osnova je uvijek DNK. A sve ostale temeljne značajke prijenosa informacija odraz su ove matrične prirode prijenosa. Naime, prijenos sintezom na matricu drugih molekula, koji će postati struktura reprodukcije nasljedne informacije.
Genetski kod
Linearno kodiranje strukture proteinskih molekula provodi 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 kemijska komplementarnost nukleotida glavni je uvjet za takvu sintezu. Ali tijekom formiranja proteinske molekule ne postoji podudarnost između količine i kvalitete monomera (DNA nukleotidi su proteinske aminokiseline). Ovo je prirodni nasljedni kod - sustav bilježenja u slijedu nukleotida (kodona) slijeda aminokiselina u proteinu.
Genetski kod ima nekoliko svojstava:
- Trojstvo.
- 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 su stop kodoni. Svaki nukleotid u lancu dio je tripleta i ne postoji sam za sebe. Na kraju i na početku lanca nukleotida odgovornih za jedan protein nalaze se stop kodoni. Počinju ili zaustavljaju prijevod (sintezu proteinske molekule).
Specifično, bez preklapanja i jednosmjerno
Svaki kodon (triplet) kodira samo jednu aminokiselinu. Svaka trojka je neovisna o susjednoj 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 (osjetni kodoni), a tri su besmislena, odnosno ne kodiraju aminokiselinu (stop kodoni). Redundantnost (degeneracija) genetskog koda leži u činjenici da se u svakom tripletu mogu napraviti zamjene - radikalne (dovode do zamjene aminokiselina) i konzervativne (ne mijenjati klasu aminokiselina). Lako je izračunati da ako se može napraviti 9 supstitucija u tripletu (položaji 1, 2 i 3), svaki nukleotid se može zamijeniti s 4 - 1=3 druge opcije, tada će ukupan broj mogućih opcija supstitucije nukleotida biti 61 x 9=549.
Degeneracija genetskog koda očituje se u činjenici da je 549 varijanti puno više odpotrebno za kodiranje informacija o 21 aminokiselini. Istovremeno, od 549 varijanti, 23 supstitucije će dovesti do stvaranja 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), tada nose informacije o istoj aminokiselini. Ovo je pravilo degeneracije ili redundancije genetskog koda. Dvije iznimke - 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 podatke svih oblika živih organizama na našem planetu.
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 mutacijska oštećenja u DNK, što će dovesti do grubih kršenja strukture proteina. Ovo je obrambeni mehanizam živih organizama planeta.
