Genetischer Code: Merkmale und Ausnahmen des genetischen Codes

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über den genetischen Code zu erfahren: Merkmale und Ausnahmen des genetischen Codes

Obwohl DNA nur aus vier Arten von Nukleotiden besteht, können diese auf unzählige Arten positioniert werden. Somit kann eine DNA-Kette mit nur zehn Nukleotidlängen 4 ¹⁰ oder 1048 576 Arten von Strängen aufweisen. Da ein einzelnes DNA-Molekül mehrere tausend Nukleotide enthält, kann eine unbegrenzte Spezifität in die DNA eingebaut werden.

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Zwischen Genen und der Synthese von Polypeptiden oder Enzymen besteht ein enger Zusammenhang. In der modernen Terminologie bezieht sich ein Gen auf ein Cistron von DNA. Ein Cistron besteht aus einer großen Anzahl von Nukleotiden. Die Anordnung von Nukleotiden oder ihrer Stickstoffbasen hängt mit der Proteinsynthese zusammen, indem der Einbau von Aminosäuren in sie beeinflusst wird. Die Beziehung zwischen der Aminosäuresequenz in einem Polypeptid und der Nukleotidsequenz von DNA oder mRNA wird als genetischer Code bezeichnet.

Es gibt ein Problem. DNA enthält nur vier Arten von Stickstoffbasen oder Nucleotiden, während die Anzahl der Aminosäuren 20 beträgt. Daher wurde von George Gamow, einem Physiker, die Hypothese aufgestellt, dass der Triplett-Code (bestehend aus drei benachbarten Basen für eine Aminosäure) wirksam ist. Eine Reihe von Forschungen haben in den 1960er Jahren zur Entschlüsselung des genetischen Codes beigetragen, z. B. Francis HC Crick, Severo Ochoa, Marschall W. Nirenberg, Hargobind Khorana und JH Matthaei.

Severo Ochoa entdeckte die Polynukleotidphosphorylase, die Ribonukleotide zur Herstellung von RNA ohne Template polymerisieren könnte. Hargobind Khorana entwickelte die Technik der Synthese von RNA-Molekülen mit einer genau definierten Kombination von Basen (Homopolymere und Copolymere).

Marshall Nirenberg fand die Methode der Proteinsynthese in zellfreien Systemen heraus. Im Jahr 1968 wurden Holley, Nirenberg und Khorana für ihre Arbeit über genetischen Code und seine Arbeitsweise mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die verschiedenen Untersuchungen, die zur Entschlüsselung des genetischen Codes für das Triplett beigetragen haben, lauten wie folgt:

1. Crick et al. (1961) beobachteten, dass die Deletion oder Addition von ein oder zwei Basenpaaren in der DNA von T ₄ -Bakteriophagen die normale DNA-Funktion störte. Wenn jedoch drei Basenpaare hinzugefügt oder gelöscht wurden, war die Störung minimal.

2. Nirenberg und Matthaei (1961) argumentierten, dass ein einzelner Code (eine durch eine Stickstoffbase spezifizierte Aminosäure) nur 4 Säuren (4 ¹ ) angeben kann, ein Dublett-Code nur 16 (4 ² ), während ein Triplett-Code bis zu 64 angeben kann Aminosäuren (4 ³ ). Da es 20 Aminosäuren gibt, kann ein Triplett-Code (drei Stickstoffbasen für eine Aminosäure) wirksam sein.

3. Nirenberg (1961) stellte Polymere der vier Nukleotide her - UUUUUU .. (Polyuridylsäure), … (Polycytidylsäure), AAAAAA… (Polyadenylsäure) und GGGGGG… (Polyguanylsäure). Er beobachtete, dass Poly-U die Bildung von Polyphenylanalin, Poly-C von Polyprolin, stimulierte, während Poly-A zur Bildung von Polylysin beitrug. Poly-G funktionierte jedoch nicht (es bildete eine dreisträngige Struktur, die bei der Translation nicht funktioniert). Später wurde gefunden, dass GGG für Aminosäure Glycin kodiert.

4. Khorana (1964) synthetisierte Copolymere von Nukleotiden wie UGUGUGUG… und beobachtete, dass sie die Bildung von Polypeptiden stimulierten, die alternativ ähnliche Aminosäuren wie Cystein-Valin-Cystein aufweisen. Dies ist nur möglich, wenn drei benachbarte Nukleotide eine Aminosäure (z. B. UGU) und die anderen drei die zweite Aminosäure (z. B. GUG) angeben.

5. Die Triplett-Codons wurden durch In-vivo-Codon-Zuordnung bestätigt durch:

(i) Aminosäureaustauschstudien

(ii) Frame-Shift-Mutationen.

6. Alle Codons wurden langsam herausgearbeitet (Tabelle 6.4). Einige Aminosäuren werden durch mehr als ein Codon spezifiziert. Die Codesprachen von DNA und mRNA sind komplementär. Somit sind die beiden Codons für Phenylalanin UUU und UUC im Fall von mRNA, während sie für DNA AAA und AAG sind. Normalerweise steht der genetische Code für die mRNA-Sprache. Dies liegt daran, dass die zytoplasmatischen Bestandteile den Code von der mRNA und nicht die im Kern vorhandene DNA lesen können.

Eigenschaften:

1. Triplet-Code:

Drei benachbarte Stickstoffbasen bilden ein Codon, das die Platzierung einer Aminosäure in einem Polypeptid angibt.

2. Startsignal:

Die Polypeptidsynthese wird durch zwei Initiationscodons signalisiert - üblicherweise AUG oder Methionin-Codon und raffdly GUG oder Valin-Codon. Sie haben zwei Funktionen.

3. Stoppsignal:

Die Terminierung der Polypeptidkette wird durch drei Terminationscodons signalisiert - UAA (Ocker), UAG (Amber) und UGA (Opal). Sie spezifizieren keine Aminosäure und werden daher auch als Nonsense-Codons bezeichnet.

4. Universal Code:

Der genetische Code ist universell anwendbar, dh ein Codon spezifiziert dieselbe Aminosäure von einem Virus für einen Baum oder einen Menschen. So produziert mRNA aus Eilichia coli eingeführtem Eukalyptikum Eiweiß im Bakterium, das dem in Küken gebildeten ähnlich ist.

5. Nicht eindeutige Codons:

Ein Codon spezifiziert nur eine Aminosäure und keine andere.

6. Verwandte Codons:

Aminosäuren mit ähnlichen Eigenschaften weisen verwandte Codons auf, z. B. aromatische Aminosäuren Tryptophan (UGG), Phenylalanin (UUC, UUU), Tyrosin (UAC, UAU).

7. Commaless:

Der genetische Code ist kontinuierlich und besitzt keine Pausen nach den Drillingen. Wenn ein Nukleotid gelöscht oder hinzugefügt wird, wird der gesamte genetische Code unterschiedlich gelesen. Somit soll ein Polypeptid mit 50 Aminosäuren durch eine lineare Sequenz von 150 Nukleotiden angegeben werden. Wenn ein Nukleotid in der Mitte dieser Sequenz hinzugefügt oder entfernt wird, sind die ersten 25 Aminosäuren des Polypeptids gleich, die nächsten 25 Aminosäuren sind jedoch sehr unterschiedlich.

8. Polarität:

Genetischer Code hat eine Polarität. Der mRNA-Code wird aus der Richtung 5 '-> 3' gelesen.

9. Nicht überlappender Code:

Eine Stickstoffbase wird nur von einem Codon angegeben.

10. Entartung des Codes:

Da es 64 Triplett-Codons und nur 20 Aminosäuren gibt, muss der Einbau einiger Aminosäuren von mehr als einem Codon beeinflusst werden. Nur Tryptophan (UGG) und Methionin (AUG) werden von einzelnen Codons angegeben. Alle anderen Aminosäuren werden durch zwei (z. B. Phenylalanin-UUU, UUC) bis sechs (z. B. Arginin-CGU-, CGC-, CGA-, CGG-AGA-, AGG-) Codons spezifiziert.

Letztere werden als entartete oder redundante Codons bezeichnet. In degenerierten Codons sind im Allgemeinen die ersten beiden Stickstoffbasen ähnlich, während sich die dritte unterscheidet. Da die dritte Stickstoffbase keinen Einfluss auf die Codierung hat, wird dies als Wobble-Position bezeichnet (Wobble-Hypothese; Crick, 1966).

11. Colinearität:

Sowohl Polypeptid als auch DNA oder mRNA weisen eine lineare Anordnung ihrer Komponenten auf. Ferner entspricht die Sequenz von Triplett-Nukleotidbasen in DNA oder mRNA der Sequenz von Aminosäuren in dem Polypeptid, das unter der Anleitung des ersteren hergestellt wird. Eine Änderung der Codonsequenz erzeugt auch eine ähnliche Änderung in der Aminosäuresequenz des Polypeptids.

12. Cistron-Polypeptid-Parität:

Ein Teil der DNA, der als Cistron (= Gen) bezeichnet wird, gibt die Bildung eines bestimmten Polypeptids an. Dies bedeutet, dass das genetische System so viele Cistrons (= Gene) aufweisen sollte, wie die im Organismus gefundenen Polypeptidtypen.

Ausnahmen:

1. Verschiedene Codons:

In Paramecium und einigen anderen Ciliaten codieren die UAA und UGA-Terminationscodons für Glutamin.

2. Überlappende Gene:

x x 174 hat 5375 Nukleotide, die für 10 Proteine ​​kodieren, die mehr als 6000 Basen benötigen. Drei seiner Gene E, and und overl überlappen andere Gene. Die Nukleotidsequenz am Anfang des E-Gens ist im Gen D enthalten. Gen overl überlappt sich ebenfalls mit den Genen A und C. Ein ähnlicher Zustand findet man in SV-40.

3. Mitochondriale Gene:

AGG- und AGA-Code für Arginin funktionieren jedoch als Stoppsignale in der menschlichen Mitochondrion. UGA, ein Terminationscodon, entspricht Tryptophan, während AUA (Codon für Isoleucin) Methionin in menschlichen Mitochondrien bezeichnet.