Genetický kód predstavuje súbor pravidiel, podľa ktorých sa genetická informácia uložená v DNA (respektíve RNA) prevádza na primárnu štruktúru bielkovín - t. j. poradie aminokyselín v peptidovom reťazci. Genetická informácia je lineárna, je uložená vo forme polynukleotidového vlákna (obvykle) DNA, čo je polymér nukleotidov. Pripomeňme, že používa štyri písmená - nukleotidy A, G, C a T (adenín, guanín, cytozín, thymin).
Naproti tomu bielkoviny sú z biochemického aj stereochemického hľadiska z celkom iných „písmen“ nazývaných aminokyseliny. Počet týchto aminokyselín dnes dosahuje čísla 22. Pri tvorbe bielkoviny sa rovnakým spôsobom spojujú, polymerujú do lineárneho vlákna a existuje kolinearita medzi poradím nukleotidov v DNA a sekvenciou aminokyselín v bielkovine, ktorá je touto DNA kódovaná.
Prepis a translácia: úloha mRNA, tRNA a ribozómov
„Premena“ DNA na bielkovinu neprebieha priamo, ale cez prostredníka, ktorým je mRNA. Každá mRNA je kópiou určitého úseku jedného z vlákien DNA zhruba v dĺžke jedného alebo viacerých génov. Nukleotid T je však v mRNA nahradený iným pyrimidínovým nukleotidom U a ako cukorná zložka tu slúži ribóza a nie deoxyribóza ako v DNA. Navyše je RNA prirodzene jednovláknová. Mediátorová RNA (mRNA) nese přepis genetickej informácie z jadra do miesta syntézy proteínov v ribozómoch.
Na povrch ribozómov sú dopravované stavebné jednotky proteínov - aminokyseliny - prostredníctvom molekúl transferovej RNA (tRNA). K jednotlivým kodónom teda náleží odpovedajúca tRNA so špecifickým antikodónom a so špecifickou aminokyselinou. Informácia nieska mRNA sa číta po trojiciach báz (tripletoch), na ktoré sa viažu komplementárne antikodóny tRNA.
Šifrovací kľúč: trinitný (tripletový) genetický kód
Zo štyroch rôznych nukleotidov v mRNA sa môže vytvoriť 4^3 = 64 rôznych tripletov, tzv. kodónov. Ukázalo sa, že genetický kód je třípísmenový - poradie troch nukleotidov (triplet) kóduje vždy jednu aminokyselinu. To je naprosto dostatočný počet na špecifikáciu každej z 22 aminokyselín a zároveň aj na vytvorenie signálov, ktoré určia, odkiaľ má v mRNA translácia začať a kde skončiť.
Prečítajte si tiež: Sprievodca kombináciou vitamínov
Zo 64 možných tripletov 61 trojíc kóduje niektorú aminokyselinu a tri trojice (UAA, UAG, UGA) sú stop-kodóny, terminačné triplety, ktoré ukončujú transláciu. Tieto tri stop-kodóny majú v literatúre historické názvy: UAG - amber (jantar), UGA - opal (opál), UAA - ochre (okr).
Iniciačný kodón a začiatok syntézy
Syntéza väčšiny proteínov začína methionínom kódovaným kodónom AUG (univerzálny štartovací signál), výnimočne valínom (kodón GUG) alebo inou aminokyselinou. Genetický kód DNA má iniciačný triplet ATG, ktorý na mRNA korešponduje AUG. Každý proteínový reťazec tak zvyčajne začína aminokyselinou methionín, ktorá sa často následne z proteínu odstráni.
Degenracia kódu, synonymné kodóny a frekvencia ich využitia
Použitie 64 kodónov pre 22 aminokyselín vedie k degenerácii kódu: väčšina aminokyselín je kódovaná dvoma, tromi, štyrmi alebo až šiestimi kodónmi. Iba methionín a tryptofán sú kódované jediným kodónom (AUG, resp. UGG). Kodóny pre tú istú aminokyselinu nazývame synonymá a obvykle sa líšia v tretej nukleotidovej pozícii.
Degenerovanosť genetického kódu umožňuje vznik tichých mutácií (synonymných), ktoré nemenia aminokyselinu a zvyšujú toleranciu náhodných substitučných mutácií. Napríklad kodón GGU kódujúci glycín toleruje akúkoľvek bodovú mutáciu na tretej pozícii, pretože GGC, GGA a GGG tiež kódujú glycín.
Nie všetky synonymné kodóny sú využívané u rôznych druhov so rovnakou frekvenciou; frekvencia využívania jednotlivých kodónov je špecifická pre každý jednobunkový organizmus, iná je u cicavcov, iná u vyšších rastlín. Hovoríme o tzv. kodónovom bias-e (kodónovej preferencii). Niektoré kodóny sú v genetickej informácii skoro nevyužívané alebo len pre špeciálne proteíny na rozdiel od bežných kodónov.
Prečítajte si tiež: Potraviny bohaté na probiotiká
Historický prehľad rozlúštenia kódu a myšlienkové prístupy
Keď v roku 1953 bola objavená štruktúra DNA, začali pokusy o určenie genetického kódu. George Gamow navrhoval kombinatorické riešenia a Crick navrhol trojicu nukleotidov ako kód. V roku 1961 však M. W. Nirenberg a J. H. Matthaei ukázali prakticky spojenie medzi tripletmi a aminokyselinami a Marshall Nirenberg stanovoval definitívnu podobu štandardného genetického kódu.
Marshall W. Nirenberg a jeho laboratórium prvé dokázali závislosť medzi kodónmi a aminokyselinami, Har Gobind Khorana rozšíril túto prácu a nalezl kódy, ktoré Nirenbergova metóda nemohla nájsť.
Genetický kód očami teórie kódovania
Ak sa na genetický kód pozrieme z hľadiska teórie kódovania, ide o blokový kód s dĺžkou slova 3 a kódovou abecedou {A, C, G, U}. V tripletu nie sú žiadne kontrolné znaky; všetky tri nukleotidy sú informačné. Genetický kód v mRNA je kvaternárny blokový (3,3)-kód s informačným pomerom 1.
Pokiaľ ide o schopnosť detekcie chýb, samotný genetický kód pre transláciu na mRNA nemá prakticky žiadnu schopnosť detekcie chýb: jeho minimálna Hammingova vzdialenosť je 1, pretože existujú páry kodónov, ktoré sa líšia len v jednej báze a pritom kódujú tú istú aminokyselinu. Degenerácia kódu však prináša určitú odolnosť voči bodovým mutáciám, najmä ak sa líšia na tretej pozícii.
Genetický kód v DNA a detekcia chýb pri replikácii
Genetický kód v dvovláknovej DNA slúži na dlhodobé uchovávanie informácie. Triplety na dvovláknovej DNA môžeme ztotožniť so slovami o 6 nukleotidoch - DNA-genetický kód je kvaternárny blokový (6,3)-kód. Minimálna vzdialenosť DNA-genetického kódu je 2, a preto DNA-genetický kód detekuje všetky jednoduché chyby (mutácie v jednom nukleotide) na úrovni dvojice protistojných báz.
Prečítajte si tiež: Výhody Reuteri probiotík
Replikácia a transkripcia majú vysoko efektívne kontrolné a opravné mechanizmy: pri replikácii sa kontroluje správnosť párovania a chybné nukleotidy sú odstránené opravnými enzýmami; následne prebieha mismatch repair, ktorý dokáže rozlíšiť novovzniknuté vlákno od pôvodného a chybný nukleotid nahradiť. V dôsledku týchto mechanizmov je výsledná chybovosť replikácie približne 10^−9.
Mutácie a ich typy v genetickom kóde
V genetike sa chyba v genetickom kóde nazýva mutácia. Jednoduchá chyba, keď je chybne umiestnená práve jedna báza, je bodová mutácia. Pridanie jednej či viacerých báz je inzercia, ak báza chýba, ide o deleciu. Degenerácia genetického kódu umožňuje existenciu tichých (synonymných) mutácií, ktoré nemenia aminokyselinu. Iné mutácie vedú k výmene aminokyseliny (missense), alebo k vytvoreniu STOP kodónu (nonsense), čím sa syntéza proteínu predčasne ukončí.
Evolúcia genetického kódu a hypotézy jej vzniku
Vznik kódu a jeho stabilita sú predmetom diskusií. Podľa hypotézy náhodného zamrznutia sa kód nemenil, pretože zmeny by boli katastrofické, dnes však prevláda názor, že sa genetický kód postupne vyvíjal a bol selektovaný tak, aby minimalizoval dopad chýb. Existuje dôkaz, že aminokyseliny syntetizované podobnými biochemickými dráhami sú kódované podobnými kodónmi, čo podporuje postupné vytváranie kódu.
Dejiny kódu sa skúmajú aj pomocou aptamérov a in vitro selekcie: aptaméry RNA, ktoré sa viažu na určitú aminokyselinu, často obsahujú opakujúce sa trojice príslušných kodónov, čo naznačuje, že pri formovaní prvého kódu mohli hrať úlohu priame interakcie medzi aminokyselinami a nukleotidovými sekvenciami.
Variácie a odchýlky od štandardného kódu
Genetický kód je takmer univerzálny - používa sa vo všetkých organizmoch - avšak existujú drobné odchýlky u mitochondrií a niektorých skupín bičíkovcov, kvasiniek, baktérií a archeí. Mitochondrie, ktoré majú pôvod v endosymbióze baktérií, si zachovali časť pôvodného kódu a preto sú známe lokálne variácie kódu.
Tabuľka štandardného genetického kódu (prehľad)
Nižšie uvádzame stručnú tabulku kategorizácie kodónov podľa toho, či kódujú aminokyseliny, sú iniciačné alebo terminačné (poznámka: v textoch a učebniciach nájdete kompletnú tabuľku so všetkými 64 kodónmi a príslušnými aminokyselinami).
| Klasifikácia | Počet kodónov | Príklady |
|---|---|---|
| Kodóny kódujúce aminokyseliny | 61 | AUG (Met), UGG (Trp), GGU/GGC/GGA/GGG (Gly) |
| Stop (terminačné) kodóny | 3 | UAA (Ochre), UAG (Amber), UGA (Opal) |
| Synonymné kodóny pre jednu AK | 2-6 | Leu, Arg, Ser až 6 kodónov; Met, Trp 1 kodón |
Starobylé a neskoršie aminokyseliny, poradie vzniku kodónov
Otázka, ktoré aminokyseliny a kodóny sú najstaršie, patrí medzi otvorené. Niektoré štúdie naznačujú, že triplety typu GXC (X = A, C, G alebo T) kódovali rané aminokyseliny ako alanín, asparágová kyselina, glycín a valín. Experimenty typu Miller-Urey ukázali, že niektoré jednoduché aminokyseliny mohli vzniknúť abioticky v raných podmienkach Zeme. Ďalšie prístupy skúmajú chronológiu podľa zastúpenia aminokyselín v starých proteínoch alebo podľa terénnej stability kodónových párov.
Prapočiatky tRNA a svet RNA
Objav ribozýmov viedol k hypotéze sveta RNA, v ktorom molekuly RNA nielen uchovávali informáciu, ale aj katalyzovali reakcie. Molekuly tRNA vytvárajú sekundárne a terciárne štruktúry (tvar jetelového listu). Na jeden koniec tRNA sa viaže aminokyselina, na druhý antikodón komplementárny k mRNA. V niektorých vírusoch bolo nájdené vlásenkové zakončenie podobné tRNA, zakončené triadou CCA, čo môže byť molekulárnou fosíliou starých mechanizmov.
Praktický význam poznania genetického kódu
- Pochopenie degenerácie kódu a kodónovej preferencie je dôležité pri syntéze génov a optimalizácii expresie heterológnych proteínov v rôznych hostiteľoch.
- Znalosť stop- a start-kodónov a ich regulácie umožňuje manipulovať so začiatkom a koncom čítaného rámca pri genetických konštruktoch.
- Štúdium odchýlok od štandardného kódu (napr. v mitochondriách) je dôležité pri analýze evolúcie a pri interpretácii sekvenčných dát.
Eukaryotická translácia (syntéza bielkovín), animácia.
Ilustračný príklad čítania kodónov
Väčšina triplety medzi iniciačným a terminačným tripletom kódujú aminokyseliny; ak sa pri prepisovaní do mRNA nesprávne napojí čítací rámec posunutý o jednu bázu vpravo či vľavo, môže dôjsť k skĺznutiu synchronizácie a následne k chybnému reťazcu aminokyselín. Z tohto dôvodu je výhodné, že vo štandardnom genetickom kóde existujú tri terminačné triplety - nesprávne syntetizovaný reťazec bude skôr ukončený jedným zo stop-kodónov posunutým o jednu bázu.
tags: #ktore #aminokyseliny #urcuje #geneticka #informacia #kodonov