Генетичният код, изразен в кодони, е система за кодиране на информация за структурата на протеините, присъща на всички живи организми на планетата. Декодирането му отне десетилетие, но фактът, че съществува, науката разбра почти век. Универсалността, специфичността, еднопосочността и особено дегенерацията на генетичния код са от голямо биологично значение.
История на откриването
Проблемът с кодирането на генетична информация винаги е бил ключов в биологията. Науката се придвижва доста бавно към матричната структура на генетичния код. След откриването от Дж. Уотсън и Ф. Крик през 1953 г. на двойната спирална структура на ДНК, започва етапът на разгадаване на самата структура на кода, което предизвиква вяра във величието на природата. Линейната структура на протеините и същата структура на ДНК предполагаха наличието на генетичен код като съответствие на два текста, но написани с различни азбуки. И акоазбуката на протеините беше известна, след това знаците на ДНК станаха обект на изследване за биолози, физици и математици.
Няма смисъл да се описват всички стъпки в решаването на тази загадка. Директен експеримент, който доказа и потвърди, че има ясно и последователно съответствие между ДНК кодоните и протеиновите аминокиселини, е проведен през 1964 г. от C. Janowski и S. Brenner. И след това - периодът на дешифриране на генетичния код in vitro (in vitro) с помощта на техниките за протеинов синтез в безклетъчни структури.
Напълно дешифрираният код на E. coli е публикуван през 1966 г. на симпозиум на биолози в Колд Спринг Харбър (САЩ). Тогава беше открита излишеството (дегенерацията) на генетичния код. Какво означава това беше обяснено съвсем просто.
Декодирането продължава
Получаването на данни за декодирането на наследствения код се превърна в едно от най-значимите събития на миналия век. Днес науката продължава задълбочено да изучава механизмите на молекулярното кодиране и неговите системни характеристики и изобилие от знаци, което изразява свойството на израждането на генетичния код. Отделен клон на изследването е появата и еволюцията на системата за кодиране на наследствен материал. Доказателство за връзката между полинуклеотиди (ДНК) и полипептиди (протеини) даде тласък на развитието на молекулярната биология. И това от своя страна към биотехнологиите, биоинженерството, откритията в селекцията и производството на култури.
Догми и правила
Основната догма на молекулярната биология - информацията се прехвърля от ДНК към информацияРНК, а след това от нея към протеин. В обратната посока е възможно предаването от РНК към ДНК и от РНК към друга РНК.
Но матрицата или основата винаги е ДНК. И всички други фундаментални характеристики на предаването на информация са отражение на тази матрична природа на предаването. А именно, прехвърлянето чрез синтез върху матрицата на други молекули, което ще се превърне в структурата на възпроизвеждането на наследствена информация.
Генетичен код
Линейното кодиране на структурата на протеиновите молекули се осъществява с помощта на комплементарни кодони (триплети) от нуклеотиди, от които има само 4 (адеин, гуанин, цитозин, тимин (урацил)), което спонтанно води до образуването на друга верига от нуклеотиди. Еднакъв брой и химическа комплементарност на нуклеотидите е основното условие за такъв синтез. Но по време на образуването на протеинова молекула няма съответствие между количеството и качеството на мономерите (ДНК нуклеотидите са протеинови аминокиселини). Това е естественият наследствен код - система за записване в последователността на нуклеотидите (кодони) последователността на аминокиселините в протеина.
Генетичният код има няколко свойства:
- Тройно.
- Уникалност.
- Ориентация.
- Не се припокриват.
- Излишност (дегенерация) на генетичния код.
- Универсалност.
Нека дадем кратко описание, фокусирайки се върху биологичното значение.
Тройност, непрекъснатост и светлини
Всяка от 61-те аминокиселини съответства на един семантичен триплет (тройка) нуклеотиди. Три триплета не носят информация за аминокиселината и са стоп кодони. Всеки нуклеотид във веригата е част от триплет и не съществува самостоятелно. В края и в началото на веригата от нуклеотиди, отговорни за един протеин, има стоп кодони. Те започват или спират транслацията (синтеза на протеинова молекула).
Специфични, неприпокриващи се и еднопосочни
Всеки кодон (триплет) кодира само една аминокиселина. Всяка тройка е независима от съседната и не се припокрива. Един нуклеотид може да бъде включен само в един триплет във веригата. Протеиновият синтез винаги върви само в една посока, която се регулира от стоп кодони.
Излишъци от генетичния код
Всеки триплет от нуклеотиди кодира една аминокиселина. Има общо 64 нуклеотида, от които 61 кодират аминокиселини (сетивни кодони), а три са безсмислени, тоест не кодират аминокиселина (стоп кодони). Излишността (дегенерацията) на генетичния код се крие във факта, че във всеки триплет могат да се направят замествания - радикални (водещи до заместване на аминокиселини) и консервативни (не променяйте класа на аминокиселините). Лесно е да се изчисли, че ако 9 замествания могат да бъдат направени в триплет (позиции 1, 2 и 3), всеки нуклеотид може да бъде заменен с 4 - 1=3 други опции, тогава общият брой възможни варианти за заместване на нуклеотиди ще бъде 61 x 9=549.
Израждането на генетичния код се проявява във факта, че 549 варианта са много повече отнеобходими за кодиране на информация за 21 аминокиселини. В същото време от 549 варианта 23 замествания ще доведат до образуването на стоп кодони, 134 + 230 замествания са консервативни, а 162 замествания са радикални.
Правилото за израждане и изключване
Ако два кодона имат два идентични първи нуклеотида, а останалите са нуклеотиди от същия клас (пурин или пиримидин), тогава те носят информация за една и съща аминокиселина. Това е правилото за израждане или излишък на генетичния код. Две изключения - AUA и UGA - първото кодира метионин, въпреки че трябва да е изолевцин, а второто е стоп кодон, въпреки че трябва да кодира триптофан.
Значението на дегенерацията и универсалността
Именно тези две свойства на генетичния код имат най-голямо биологично значение. Всички изброени по-горе свойства са характерни за наследствената информация на всички форми на живи организми на нашата планета.
Израждането на генетичния код има адаптивна стойност, като многократно дублиране на кода на една аминокиселина. В допълнение, това означава намаляване на значимостта (дегенерация) на третия нуклеотид в кодона. Тази опция минимизира мутационното увреждане в ДНК, което ще доведе до груби нарушения в структурата на протеина. Това е защитният механизъм на живите организми на планетата.
