Genetische code: kenmerken en uitzonderingen van genetische code

Lees dit artikel voor meer informatie over de genetische code: kenmerken en uitzonderingen van genetische code

Hoewel DNA bestaat uit slechts vier soorten nucleotiden, kan de laatste op talloze manieren worden gepositioneerd. Zo kan een DNA-keten van slechts tien nucleotidelengtes 4 ¹⁰ of 1.048.576 soorten strengen hebben. Omdat een enkel DNA-molecuul enkele duizenden nucleotiden bevat, kan een onbeperkte specificiteit in het DNA worden opgenomen.

Met dank aan: wolfson.huji.ac.il/expression/vector/genetic_code.jpg

Er is een intieme verbinding tussen genen en de synthese van polypeptiden of enzymen. In moderne terminologie verwijst een gen naar een cistron van DNA. Een cistron is gemaakt van een groot aantal nucleotiden. Opstelling van nucleotiden of hun stikstofbasen is verbonden met de synthese van eiwitten door de opname van aminozuren daarin te beïnvloeden. De relatie tussen de sequentie van aminozuren in een polypeptide en een nucleotidesequentie van DNA of mRNA wordt genetische code genoemd.

Er is één probleem. DNA bevat slechts vier soorten stikstofbasen of nucleotiden, terwijl het aantal aminozuren 20 is. Het is daarom verondersteld door George Gamow, een fysicus, dat de tripletcode (bestaande uit drie aangrenzende basen voor één aminozuur) werkzaam is. Een aantal onderzoeken hebben bijgedragen tot het ontcijferen van de genetische code in de jaren zestig, bijvoorbeeld Francis HC Crick, Severo Ochoa, Marshal W. Nirenberg, Hargobind Khorana en JH Matthaei.

Severo Ochoa ontdekte polynucleotide-fosforylase dat ribonucleotiden zou kunnen polymeriseren om RNA zonder enig sjabloon te produceren. Hargobind Khorana ontwikkelde de techniek van het synthetiseren van RNA-moleculen met een goed gedefinieerde combinatie van basen (homopolymeren en copolymeren).

Marshall Nirenberg ontdekte de methode van eiwitsynthese in celvrije systemen. In 1968 werd Nobelprijs toegekend aan Holley, Nirenberg en Khorana voor hun werk aan genetische code en de werking ervan. De verschillende onderzoeken die hebben geholpen bij het ontcijferen van de genetische code van de triplet zijn de volgende:

1. Crick et al. (1961) hebben waargenomen dat deletie of toevoeging van één of twee basenparen in DNA van T4-bacteriofaag het normale DNA-functioneren verstoorde. Wanneer echter drie basenparen werden toegevoegd of verwijderd, was de verstoring minimaal.

2. Nirenberg en Matthaei (1961) voerden aan dat een enkele code (één aminozuur gespecificeerd door één stikstofbasis) slechts 4 zuren (4 ¹ ), een doubletcode slechts 16 (4 ² ) kan specificeren, terwijl een tripletcode tot 64 kan specificeren aminozuren (4 ³ ). Omdat er 20 aminozuren zijn, kan een tripletcode (drie stikstofbasen voor één aminozuur) werkzaam zijn.

3. Nirenberg (1961) bereide polymeren van de vier nucleotiden - UUUUUU ... (Polyuridylzuur), CCCCCC ... (Polycytidylzuur), AAAAAA ... (polyadenylzuur) en GGGGGG ... (Polyguanylzuur). Hij merkte op dat poly-U de vorming van polyfenylanaline, poly-C van polyproline stimuleerde, terwijl poly-A polylysine hielp vormen. Poly-G werkte echter niet (het vormde een driestrengige structuur die niet functioneert bij de vertaling). Later bleek GGG te coderen voor aminozuur glycine.

4. Khorana (1964) gesynthetiseerde copolymeren van nucleotiden zoals UGUGUGUG ... en merkten op dat ze de vorming van polypeptiden met afwisselend gelijksoortige aminozuren als cysteïne - valine - cysteïne stimuleerden. Dit is alleen mogelijk als drie aangrenzende nucleotiden één aminozuur (bijv. UGU) en drie andere het tweede aminozuur (bijv. GUG) specificeren.

5. De tripletcodons werden bevestigd door in vivo codontoewijzing door:

(i) onderzoeken naar aminozuurvervanging

(ii) frame shift-mutaties.

6. Langzaam werden alle codons uitgewerkt (Tabel 6.4). Sommige aminozuren worden gespecificeerd door meer dan één codon. De codetalen van DNA en mRNA zijn complementair. Dus de twee codons voor fenylalanine zijn UUU en UUC in het geval van mRNA terwijl ze AAA en AAG voor DNA zijn. Normaal vertegenwoordigt de genetische code de mRNA-taal. Dit komt omdat de cytoplasmische bestanddelen de code van mRNA kunnen lezen en niet het DNA dat in de kern aanwezig is.

Kenmerken:

1. Triplet-code:

Drie aangrenzende stikstofbasen vormen een codon dat de plaatsing van één aminozuur in een polypeptide specificeert.

2. Startsignaal:

Polypeptidesynthese wordt gesignaleerd door twee initiatiecodons - gewoonlijk AUG of methionine codon en rafdly GUG of valine codon. Ze hebben dubbele functies.

3. Stopsignaal:

Polypeptideketenafsluiting wordt gesignaleerd door drie terminatiecodons - UAA (oker), UAG (barnsteen) en UGA (opaal). Ze specificeren geen enkel aminozuur en worden daarom ook onzincodons genoemd.

4. Universele code:

De genetische code is universeel toepasbaar, dwz een codon specificeert hetzelfde aminozuur van een virus naar een boom of een mens. Aldus produceert mRNA uit kuikenoviduct geïntroduceerd in Escherichia coli ovalbumen in de bacterie die exact gelijk is aan een gevormd in kuiken.

5. Niet-ambigue codons:

Eén codon specificeert slechts één aminozuur en niet een ander.

6. Gerelateerde codons:

Aminozuren met vergelijkbare eigenschappen hebben verwante codons, bijvoorbeeld aromatische aminozuren tryptofaan (UGG), fenylalanine (UUC, UUU), tyrosine (UAC, UAU).

7. Commaless:

De genetische code is continu en bezit geen pauzes na de triplets. Als een nucleotide wordt verwijderd of toegevoegd, leest de hele genetische code anders. Aldus zal een polypeptide met 50 aminozuren worden gespecificeerd door een lineaire sequentie van 150 nucleotiden. Als een nucleotide wordt toegevoegd of verwijderd in het midden van deze sequentie, zullen de eerste 25 aminozuren van polypeptide hetzelfde zijn, maar volgende 25 aminozuren zullen behoorlijk verschillend zijn.

8. polariteit:

Genetische code heeft een polariteit. Code van mRNA wordt gelezen vanuit de richting 5 '-> 3'.

9. Niet-overlappende code:

Een stikstofbasis wordt gespecificeerd door slechts één codon.

10. Degeneratie van code:

Aangezien er 64 tripletcodons en slechts 20 aminozuren zijn, moet de opname van sommige aminozuren door meer dan één codon worden beïnvloed. Alleen tryptofaan (UGG) en methionine (AUG) worden gespecificeerd door afzonderlijke codons. Alle andere aminozuren worden gespecificeerd door twee (bijv. Fenylalanine - UUU, UUC) tot zes (bijvoorbeeld arginine - CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG) codons.

De laatste worden gedegenereerde of overtollige codons genoemd. In gedegenereerde codons zijn in het algemeen de eerste twee stikstofbasen vergelijkbaar, terwijl de derde anders is. Omdat de derde stikstofbase geen effect heeft op de codering, wordt dezelfde wobbelpositie genoemd (Wobble hypothesis; Crick, 1966).

11. Colineariteit:

Zowel polypeptide als DNA of mRNA hebben een lineaire rangschikking van hun componenten. Verder komt de sequentie van triplet-nucleotidebasen in DNA of mRNA overeen met de sequentie van aminozuren in het polypeptide vervaardigd onder de begeleiding van de eerste. Verandering in codonsequentie produceert ook een vergelijkbare verandering in aminozuursequentie van polypeptide.

12. Cistron-polypeptide-pariteit:

Een deel van het DNA dat cistron (= gen) wordt genoemd, specificeert de vorming van een bepaald polypeptide. Het betekent dat het genetische systeem zoveel cistrons (= genen) zou moeten hebben als de typen polypeptiden die in het organisme worden aangetroffen.

Uitzonderingen:

1. Verschillende codons:

In Paramecium en enkele andere ciliaten terminatiecodons UAA en UGA-code voor glutamine.

2. Overlappende genen:

ф x 174 heeft 5375 nucleotiden die coderen voor 10 eiwitten die meer dan 6000 basen vereisen. Drie van de genen E, В en К overlappen andere genen. Nucleotide-sequentie aan het begin van het E-gen zit in gen D. Evenzo overlapt gen C met genen A en C. Een vergelijkbare aandoening wordt gevonden in SV-40.

3. Mitochondriale genen:

AGG en AGA-code voor arginine maar functioneren als stopsignalen in menselijk mitochondrion. UGA, een terminatiecodon, komt overeen met tryptofaan, terwijl AUA (codon voor isoleucine) methionine in menselijke mitochondriën aangeeft.