9 Wichtigste Eigenschaften des genetischen Codes

Einige der wichtigsten Eigenschaften genetischer Codes sind folgende:

1. Der Code ist ein Triplett-Codon:

Die Nukleotide der mRNA sind als lineare Sequenz von Codons angeordnet, wobei jedes Codon aus drei aufeinanderfolgenden stickstoffhaltigen Basen besteht, dh der Code ist ein Triplett-Codon. Das Konzept des Triplett-Codons wurde durch zwei Arten von Punktmutationen unterstützt: Frame-Shift-Mutationen und Basensubstitutionen.

(i) Frameshift-Mutationen:

Offensichtlich wird die genetische Nachricht, die einmal an einem festen Punkt initiiert wurde, in einem bestimmten Rahmen in einer Reihe von drei Buchstabenwörtern gelesen. Der Rahmen würde gestört, sobald eine oder mehrere Basen gelöscht oder hinzugefügt werden.

Wenn solche Frame-Shift-Mutationen miteinander gekreuzt wurden, produzieren sie in bestimmten Kombinationen ein normales Wildtyp-Gen. Es wurde geschlussfolgert, dass eine von ihnen eine Deletion und die andere eine Addition war, so dass die gestörte Reihenfolge des Frames aufgrund der Mutation von der anderen wiederhergestellt wird (Abb. 38.26).

(ii) Basensubstitution:

Wenn in einem mRNA-Molekül an einem bestimmten Punkt ein Basenpaar ohne Deletion oder Addition durch ein anderes ersetzt wird, ändert sich die Bedeutung eines Codons, das eine solche veränderte Base enthält. Folglich wird anstelle einer bestimmten Aminosäure an einer bestimmten Position in einem Polypeptid eine andere Aminosäure eingebaut.

Bild mit freundlicher Genehmigung: wolfson.huji.ac.il/expression/vector/genetic_code.jpg

Beispielsweise wird das GGA-Codon für Glycin aufgrund von Substitutionsmutation in dem Gen für das Tryptophansynthetase-Enzym in E. coli ein Missence-Codon AGA, der für Arginin codiert. Das Missence-Codon ist ein Codon, das eine Änderung durchführt, um eine andere Aminosäure zu spezifizieren.

Ein direkterer Beweis für einen Triplettcode ergab sich aus der Feststellung, dass ein Stück mRNA mit 90 Nukleotiden einer Polypeptidkette von 30 Aminosäuren eines wachsenden Hämoglobinmoleküls entsprach. In ähnlicher Weise lenken 1200 Nucleotide des "Satellitentabak-Nekrose-Virus" die Synthese von Hüllproteinmolekülen mit 372 Aminosäuren.

2. Der Code überschneidet sich nicht:

Bei der Translation von mRNA-Molekülen überlappen sich die Codons nicht, sondern werden sequenziell „gelesen“ (Abb. 38.27). Ein nicht überlappender Code bedeutet also, dass eine Base in einer mRNA nicht für verschiedene Codons verwendet wird. In Abbildung 38.28 wurde gezeigt, dass ein überlappender Code das Codieren von vier Aminosäuren aus sechs Basen bedeuten kann.

In der Praxis kodieren jedoch sechs Basen für nicht mehr als zwei Aminosäuren. Im Falle eines überlappenden Codes wird beispielsweise eine einzelne Änderung (des Substitutionstyps) in der Basensequenz in Substitutionen von mehr als einer Aminosäure in dem entsprechenden Protein widergespiegelt. Seit 1956 haben sich viele Beispiele angesammelt, bei denen eine einzelne Basensubstitution zu einer einzigen Aminosäurewechsel in Insulin, Tryptophansynthase, TMV-Hüllprotein, alkalischer Phosphatase, Hämoglobin usw. führt.

Es wurde jedoch gezeigt, dass in dem Bakteriophagen ɸ × 174 die Möglichkeit besteht, die Gene und Codons zu überlappen (Barrel und Coworkers, 1976; Sanger, et al., 1977).

3. Der Code ist allgemein:

Der genetische Code ist allgemeiner Natur, was bedeutet, dass kein Codon für Interpunktionen reserviert ist. Das bedeutet, dass nach der Codierung einer Aminosäure die zweite Aminosäure automatisch durch die nächsten drei Buchstaben codiert wird und keine Buchstaben als Interpunktionszeichen verschwendet werden (Abb. 38.29).

4. Der Code ist eindeutig:

Nicht eindeutiger Code bedeutet, dass ein bestimmtes Codon immer für dieselbe Aminosäure codiert. Bei mehrdeutigem Code könnte das gleiche Codon unterschiedliche Bedeutungen haben, oder anders ausgedrückt, das gleiche Codon könnte zwei oder mehr als zwei verschiedene Aminosäuren codieren. Im Allgemeinen darf das gleiche Codon niemals für zwei verschiedene Aminosäuren kodieren.

Es gibt jedoch einige Ausnahmen von dieser Regel: Die Codons AUG und GUG können beide für Methionin als Initiator oder Startcodon kodieren, obwohl GUG für Valin gedacht ist. Ebenso kodiert das GGA-Codon für zwei Aminosäuren Glycin und Glutaminsäure.

5. Der Code hat Polarität:

Der Code wird immer in einer festen Richtung gelesen, dh in der Richtung 5 '→ 3'. Mit anderen Worten hat das Codon eine Polarität. Es ist offensichtlich, dass, wenn der Code in entgegengesetzten Richtungen gelesen wird, er zwei verschiedene Proteine ​​spezifizieren würde, da das Codon eine umgekehrte Basensequenz hätte:

6. Der Code ist entartet:

Mehr als ein Codon kann dieselbe Aminosäure angeben; Dies wird als Entartung des Codes bezeichnet. Mit Ausnahme von Tryptophan und Methionin, die jeweils ein einzelnes Codon haben, haben alle anderen 18 Aminosäuren mehr als ein Codon. Somit haben neun Aminosäuren, nämlich Phenylalanin, Tyrosin, Histidin, Glutamin, Asparagin, Lysin, Asparaginsäure, Glutaminsäure und Cystein, jeweils zwei Codons. Isoleucin hat drei Codons. Fünf Aminosäuren, nämlich Valin, Prolin, Threonin, Alanin und Glycin, haben jeweils vier Codons. Drei Aminosäuren, nämlich Leucin, Arginin und Serin, haben jeweils sechs Codons (siehe Tabelle 38.5).

Die Code-Entartung besteht im Wesentlichen aus zwei Arten: partiell und vollständig. Eine partielle Entartung tritt auf, wenn die ersten beiden Nukleotide identisch sind, das dritte (dh 3'-Basen) -Nukleotid der degenerierten Codons jedoch unterschiedlich ist, z. B. CUU- und CUC-Code für Leucin. Eine vollständige Entartung tritt ein, wenn eine der vier Basen die dritte Position einnehmen kann und trotzdem Code für die gleiche Aminosäure (zB UCU, UCC, UCA und UCG-Code für Serin).

Die Entartung genetischer Codes hat gewisse biologische Vorteile. Zum Beispiel ermöglicht es, dass im Wesentlichen das gleiche Komplement von Enzymen und anderen Proteinen von Mikroorganismen spezifiziert wird, die in ihrer DNA-Basenzusammensetzung stark variieren. Entartung bietet auch einen Mechanismus zur Minimierung der Mutationssterblichkeit.

7. Einige Codes fungieren als Startcodons:

In den meisten Organismen ist das AUG-Codon das Start- oder Startcodon, dh die Polypeptidkette beginnt entweder mit Methionin (Eukaryoten) oder N-Formylmethionin (Prokaryoten). Methionyl- oder N-Formylmethionyl-tRNA bindet spezifisch an die Initiationsstelle von mRNA, die das AUG-Startcodon enthält. In seltenen Fällen dient GUG auch als Startcodon, z. B. zur Synthese von Bakterienproteinen. Normalerweise codiert GUG für Valin, aber wenn das normale AUG-Codon durch Löschen verloren geht, wird nur GUG als Initiationscodon verwendet.

8. Einige Codes fungieren als Stop-Codons:

Die drei Codons UAG, UAA und UGA sind die Kettenstopp- oder Terminationscodons. Sie kodieren für keine der Aminosäuren. Diese Codons werden von keinem tRNA-Molekül (über ihre Anticodons) gelesen, sondern von einigen spezifischen Proteinen, die als Freisetzungsfaktoren bezeichnet werden (z. B. RF-1, RF-2, RF-3 in Prokaryoten und RF in Eukaryoten). Diese Codons werden auch als Nonsense-Codons bezeichnet, da sie keine Aminosäure angeben.

Das UAG war das erste von Sidney Brenner (1965) entdeckte Terminierungscodon. Es wurde Bernstein nach einem Doktoranden namens Bernstein (= das deutsche Wort für "Bernstein" und Bernstein bedeutet bräunlichgelb), der bei der Entdeckung einer Klasse von Mutationen hilft. Um die Einheitlichkeit zu gewährleisten, wurden die anderen beiden Terminationscodons anscheinend auch nach Farben wie Ocker für UAA und Opal oder Umber für UGA benannt. (Ocker bedeutet gelb rot oder hellgelb; Opal bedeutet milchiges Weiß und Umbra bedeutet braun). Das Vorhandensein von mehr als einem Stop-Codon kann eine Sicherheitsmaßnahme sein, falls das erste Codon nicht funktioniert.

9. Der Code ist universell:

Der gleiche genetische Code gilt für alle Organismen, die von Bakterien bis zum Menschen reichen. Eine solche Universalität des Codes wurde von Marshall, Caskey und Nirenberg (1967) demonstriert, der feststellte, dass E. coli (Bacterium), Xenopus laevis (Amphibian) und Meerschweinchen (Säugetier) -aminacyl-tRNA fast denselben Code verwenden. Nirenberg hat auch angegeben, dass sich der genetische Code vor 3 Milliarden Jahren mit den ersten Bakterien entwickelt haben könnte und sich im Laufe der Evolution lebender Organismen kaum verändert hat.

Kürzlich wurden einige Unterschiede zwischen dem universellen genetischen Code und dem mitochondrialen genetischen Code entdeckt (Tabelle 38.6).

Tabelle 38.6. Unterschiede zwischen dem "universellen genetischen Code" und zwei mitochondrialen genetischen Codes:

* Kursiv bedeutet, dass sich der Code vom "Universal" -Code unterscheidet.