Ο γενετικός κώδικας, που εκφράζεται σε κωδικόνια, είναι ένα σύστημα για την κωδικοποίηση πληροφοριών σχετικά με τη δομή των πρωτεϊνών, που είναι εγγενές σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς στον πλανήτη. Η αποκωδικοποίησή του κράτησε μια δεκαετία, αλλά το γεγονός ότι υπάρχει, το καταλάβαινε η επιστήμη για σχεδόν έναν αιώνα. Η καθολικότητα, η ειδικότητα, η μονοκατευθυντικότητα και ιδιαίτερα ο εκφυλισμός του γενετικού κώδικα έχουν μεγάλη βιολογική σημασία.
Ιστορικό ανακάλυψης
Το πρόβλημα της κωδικοποίησης γενετικών πληροφοριών ήταν πάντα βασικό στη βιολογία. Η επιστήμη κινήθηκε μάλλον αργά προς τη δομή μήτρας του γενετικού κώδικα. Από την ανακάλυψη από τους J. Watson και F. Crick το 1953 της διπλής ελικοειδούς δομής του DNA, ξεκίνησε το στάδιο της αποκάλυψης της ίδιας της δομής του κώδικα, το οποίο ώθησε την πίστη στο μεγαλείο της φύσης. Η γραμμική δομή των πρωτεϊνών και η ίδια δομή του DNA υποδηλώνουν την παρουσία ενός γενετικού κώδικα ως αντιστοιχία δύο κειμένων, αλλά γραμμένο με διαφορετικά αλφάβητα. Κι αντο αλφάβητο των πρωτεϊνών ήταν γνωστό, τότε τα σημάδια του DNA έγιναν αντικείμενο μελέτης για βιολόγους, φυσικούς και μαθηματικούς.
Δεν έχει νόημα να περιγράψουμε όλα τα βήματα για την επίλυση αυτού του γρίφου. Ένα άμεσο πείραμα, το οποίο απέδειξε και επιβεβαίωσε ότι υπάρχει σαφής και συνεπής αντιστοιχία μεταξύ των κωδικονίων του DNA και των πρωτεϊνικών αμινοξέων, πραγματοποιήθηκε το 1964 από τους C. Janowski και S. Brenner. Και μετά - η περίοδος αποκρυπτογράφησης του γενετικού κώδικα in vitro (in vitro) χρησιμοποιώντας τις τεχνικές της πρωτεϊνοσύνθεσης σε δομές χωρίς κύτταρα.
Ο πλήρως αποκρυπτογραφημένος κώδικας E. coli δημοσιοποιήθηκε το 1966 σε ένα συμπόσιο βιολόγων στο Cold Spring Harbor (ΗΠΑ). Τότε ανακαλύφθηκε ο πλεονασμός (εκφυλισμός) του γενετικού κώδικα. Τι σημαίνει αυτό εξηγήθηκε πολύ απλά.
Η αποκωδικοποίηση συνεχίζεται
Η απόκτηση δεδομένων για την αποκωδικοποίηση του κληρονομικού κώδικα έχει γίνει ένα από τα πιο σημαντικά γεγονότα του περασμένου αιώνα. Σήμερα, η επιστήμη συνεχίζει να μελετά σε βάθος τους μηχανισμούς των μοριακών κωδικοποιήσεων και τα συστημικά χαρακτηριστικά τους και την υπερπληθώρα σημείων, που εκφράζει την ιδιότητα του εκφυλισμού του γενετικού κώδικα. Ένας ξεχωριστός κλάδος μελέτης είναι η εμφάνιση και η εξέλιξη του συστήματος κωδικοποίησης για το κληρονομικό υλικό. Τα στοιχεία της σχέσης μεταξύ πολυνουκλεοτιδίων (DNA) και πολυπεπτιδίων (πρωτεΐνες) έδωσαν ώθηση στην ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Και αυτό, με τη σειρά του, στη βιοτεχνολογία, τη βιομηχανική, τις ανακαλύψεις στην επιλογή και την παραγωγή καλλιεργειών.
Δόγματα και κανόνες
Το κύριο δόγμα της μοριακής βιολογίας - οι πληροφορίες μεταφέρονται από το DNA σε πληροφορίεςRNA, και μετά από αυτό στην πρωτεΐνη. Στην αντίθετη κατεύθυνση, η μετάδοση είναι δυνατή από το RNA στο DNA και από το RNA σε ένα άλλο RNA.
Αλλά η μήτρα ή η βάση είναι πάντα το DNA. Και όλα τα άλλα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της μετάδοσης πληροφοριών είναι μια αντανάκλαση αυτής της μήτρας φύσης της μετάδοσης. Δηλαδή, η μεταφορά μέσω σύνθεσης στη μήτρα άλλων μορίων, που θα γίνει η δομή της αναπαραγωγής κληρονομικών πληροφοριών.
Γενετικός κωδικός
Η γραμμική κωδικοποίηση της δομής των μορίων πρωτεΐνης πραγματοποιείται με τη χρήση συμπληρωματικών κωδικονίων (τριπλές) νουκλεοτιδίων, από τα οποία υπάρχουν μόνο 4 (αδεΐνη, γουανίνη, κυτοσίνη, θυμίνη (ουρακίλη)), τα οποία οδηγούν αυθόρμητα στον σχηματισμό μιας άλλης αλυσίδας νουκλεοτιδίων. Ο ίδιος αριθμός και η χημική συμπληρωματικότητα των νουκλεοτιδίων είναι η κύρια προϋπόθεση για μια τέτοια σύνθεση. Αλλά κατά τον σχηματισμό ενός μορίου πρωτεΐνης, δεν υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ της ποσότητας και της ποιότητας των μονομερών (τα νουκλεοτίδια DNA είναι πρωτεϊνικά αμινοξέα). Αυτός είναι ο φυσικός κληρονομικός κώδικας - ένα σύστημα καταγραφής στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων (κωδικόνια) της αλληλουχίας των αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη.
Ο γενετικός κώδικας έχει πολλές ιδιότητες:
- Τριπλότητα.
- Μοναδικότητα.
- Προσανατολισμός.
- Μη επικαλυπτόμενο.
- Πλεονασμός (εκφυλισμός) του γενετικού κώδικα.
- Πολυχρηστικότητα.
Ας δώσουμε μια σύντομη περιγραφή, εστιάζοντας στη βιολογική σημασία.
Τριπλότητα, συνέχεια και φανάρια
Κάθε ένα από τα 61 αμινοξέα αντιστοιχεί σε μία σημασιολογική τριπλέτα (τριπλή) νουκλεοτιδίων. Τρεις τρίδυμες δεν φέρουν πληροφορίες για το αμινοξύ και είναι κωδικόνια λήξης. Κάθε νουκλεοτίδιο στην αλυσίδα είναι μέρος μιας τριπλέτας και δεν υπάρχει από μόνο του. Στο τέλος και στην αρχή της αλυσίδας των νουκλεοτιδίων που είναι υπεύθυνα για μία πρωτεΐνη, υπάρχουν κωδικόνια λήξης. Ξεκινούν ή σταματούν τη μετάφραση (τη σύνθεση ενός μορίου πρωτεΐνης).
Συγκεκριμένο, μη επικαλυπτόμενο και μονής κατεύθυνσης
Κάθε κωδικόνιο (τριπλή) κωδικοποιεί μόνο ένα αμινοξύ. Κάθε τρίδυμο είναι ανεξάρτητο από το γειτονικό και δεν επικαλύπτεται. Ένα νουκλεοτίδιο μπορεί να συμπεριληφθεί μόνο σε μία τριάδα στην αλυσίδα. Η πρωτεϊνοσύνθεση πηγαίνει πάντα προς μία μόνο κατεύθυνση, η οποία ρυθμίζεται από κωδικόνια λήξης.
Απολύσεις του γενετικού κώδικα
Κάθε τριάδα νουκλεοτιδίων κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Υπάρχουν 64 νουκλεοτίδια συνολικά, από τα οποία τα 61 κωδικοποιούν αμινοξέα (κωδικόνια αίσθησης) και τρία είναι χωρίς νόημα, δηλαδή δεν κωδικοποιούν αμινοξύ (κωδικόνια τερματισμού). Ο πλεονασμός (εκφυλισμός) του γενετικού κώδικα έγκειται στο γεγονός ότι σε κάθε τριάδα μπορούν να γίνουν υποκαταστάσεις - ριζικές (οδηγούν σε αντικατάσταση αμινοξέων) και συντηρητικές (μην αλλάζεις την κατηγορία αμινοξέων). Είναι εύκολο να υπολογιστεί ότι εάν μπορούν να γίνουν 9 αντικαταστάσεις σε μια τριάδα (θέσεις 1, 2 και 3), κάθε νουκλεοτίδιο μπορεί να αντικατασταθεί από 4 - 1=3 άλλες επιλογές, τότε ο συνολικός αριθμός των πιθανών επιλογών αντικατάστασης νουκλεοτιδίου θα είναι 61 x 9=549.
Ο εκφυλισμός του γενετικού κώδικα εκδηλώνεται στο γεγονός ότι 549 παραλλαγές είναι πολύ περισσότερες απόαπαραίτητο για την κωδικοποίηση πληροφοριών για 21 αμινοξέα. Ταυτόχρονα, από τις 549 παραλλαγές, 23 υποκαταστάσεις θα οδηγήσουν στον σχηματισμό κωδικονίων λήξης, 134 + 230 αντικαταστάσεις είναι συντηρητικές και 162 υποκαταστάσεις είναι ριζικές.
Ο κανόνας του εκφυλισμού και του αποκλεισμού
Αν δύο κωδικόνια έχουν δύο ίδια πρώτα νουκλεοτίδια και τα υπόλοιπα είναι νουκλεοτίδια της ίδιας κατηγορίας (πουρίνη ή πυριμιδίνη), τότε μεταφέρουν πληροφορίες για το ίδιο αμινοξύ. Αυτός είναι ο κανόνας του εκφυλισμού ή του πλεονασμού του γενετικού κώδικα. Δύο εξαιρέσεις - AUA και UGA - η πρώτη κωδικοποιεί τη μεθειονίνη, αν και θα πρέπει να είναι ισολευκίνη, και η δεύτερη είναι ένα κωδικόνιο λήξης, αν και θα πρέπει να κωδικοποιεί την τρυπτοφάνη.
Η έννοια του εκφυλισμού και της καθολικότητας
Είναι αυτές οι δύο ιδιότητες του γενετικού κώδικα που έχουν τη μεγαλύτερη βιολογική σημασία. Όλες οι ιδιότητες που αναφέρονται παραπάνω είναι χαρακτηριστικές των κληρονομικών πληροφοριών όλων των μορφών ζωντανών οργανισμών στον πλανήτη μας.
Ο εκφυλισμός του γενετικού κώδικα έχει μια προσαρμοστική αξία, όπως ο πολλαπλός διπλασιασμός του κώδικα ενός αμινοξέος. Επιπλέον, αυτό σημαίνει μείωση της σημασίας (εκφυλισμός) του τρίτου νουκλεοτιδίου στο κωδικόνιο. Αυτή η επιλογή ελαχιστοποιεί τη μεταλλακτική βλάβη στο DNA, η οποία θα οδηγήσει σε κατάφωρες παραβιάσεις στη δομή της πρωτεΐνης. Αυτός είναι ο αμυντικός μηχανισμός των ζωντανών οργανισμών του πλανήτη.
