Od DNA do białka

Przepływ informacji genetycznej w komórkach od DNA przez mRNA do białka jest opisany przez centralny dogmat, który mówi, że geny określają sekwencję mRNA, które z kolei określają sekwencję aminokwasów tworzących wszystkie białka. Dekodowanie jednej cząsteczki do drugiej odbywa się za pomocą określonych białek i RNA. Ponieważ informacja przechowywana w DNA jest tak kluczowa dla funkcji komórki, intuicyjnie sensowne jest, że komórka będzie tworzyć kopie mRNA tych informacji w celu syntezy białek, zachowując jednocześnie samo DNA w stanie nienaruszonym i chronionym. Kopiowanie DNA do RNA jest stosunkowo proste, a jeden nukleotyd jest dodawany do nici mRNA na każdy nukleotyd odczytany w nici DNA. Translacja na białko jest nieco bardziej złożona, ponieważ trzy nukleotydy mRNA odpowiadają jednemu aminokwasowi w sekwencji polipeptydowej. Jednak translacja na białko jest nadal systematyczna i współliniowa, tak że nukleotydy od 1 do 3 odpowiadają aminokwasowi 1, nukleotydy od 4 do 6 odpowiadają aminokwasowi 2 i tak dalej.

Kod genetyczny jest zdegenerowany i uniwersalny

Każdy aminokwas jest zdefiniowany przez sekwencję trzech nukleotydów zwaną kodonem trypletowym. Biorąc pod uwagę różne liczby “liter” w “alfabetach” mRNA i białek, naukowcy wysunęli teorię, że pojedyncze aminokwasy muszą być reprezentowane przez kombinacje nukleotydów. Dublety nukleotydowe nie byłyby wystarczające do określenia każdego aminokwasu, ponieważ istnieje tylko 16 możliwych kombinacji dwóch nukleotydów (4,²). Natomiast istnieją 64 możliwe tryplety nukleotydów (4³), czyli znacznie więcej niż liczba aminokwasów. Naukowcy wysunęli teorię, że aminokwasy są kodowane przez trójki nukleotydów i że kod genetyczny jest “zdegenerowany”. Innymi słowy, dany aminokwas może być kodowany przez więcej niż jeden tryplet nukleotydowy. Zostało to później potwierdzone eksperymentalnie: Francis Crick i Sydney Brenner użyli chemicznej mutagenu proflawiny do wprowadzenia jednego, dwóch lub trzech nukleotydów do genu wirusa. Po wprowadzeniu jednego lub dwóch nukleotydów normalne białka nie były wytwarzane. Po wprowadzeniu trzech nukleotydów białko zostało zsyntetyzowane i funkcjonalne. Wykazało to, że aminokwasy muszą być określone przez grupy trzech nukleotydów. Te trojaczki nukleotydowe nazywane są kodonami. Wprowadzenie jednego lub dwóch nukleotydów całkowicie zmieniło ramkę odczytu trypletu, zmieniając w ten sposób wiadomość dla każdego kolejnego aminokwasu. Chociaż insercja trzech nukleotydów spowodowała wprowadzenie dodatkowego aminokwasu podczas translacji, integralność reszty białka została zachowana.

Oprócz kodonów, które instruują dodanie określonego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego, trzy z 64 kodonów kończą syntezę białek i uwalniają polipeptyd z maszynerii translacyjnej. Te triplety nazywane są kodonami nonsensownymi lub kodonami stop. Inny kodon, AUG, również pełni specjalną funkcję. Oprócz określenia aminokwasu metioniny, służy on również jako kodon start do inicjowania translacji. Ramka odczytu translacji jest ustawiana przez kodon start AUG w pobliżu końca 5′ mRNA. Po kodonie start mRNA jest odczytywane w grupach po trzy, aż do napotkania kodonu stop.

Specyfikacja pojedynczego aminokwasu za pomocą wielu podobnych kodonów nazywa się “degeneracją”. Uważa się, że degeneracja jest mechanizmem komórkowym zmniejszającym negatywny wpływ przypadkowych mutacji. Kodony, które określają ten sam aminokwas, zazwyczaj różnią się tylko jednym nukleotydem. Ponadto aminokwasy o chemicznie podobnych łańcuchach bocznych są kodowane przez podobne kodony. Na przykład asparaginian (Asp) i glutaminian (Glu), które zajmują blok GA*, są naładowane ujemnie. Ten niuans kodu genetycznego zapewnia, że mutacja substytucji pojedynczego nukleotydu może określać ten sam aminokwas, ale nie mieć wpływu lub określać podobny aminokwas, zapobiegając całkowitemu wyłączeniu białka

Kod genetyczny jest prawie uniwersalny. Z kilkoma drobnymi wyjątkami, praktycznie wszystkie gatunki używają tego samego kodu genetycznego do syntezy białek. Zachowanie kodonów oznacza, że oczyszczone mRNA kodujące białko globiny u koni może zostać przeniesione do komórki tulipana, a tulipan zsyntetyzuje końską globinę. Fakt, że istnieje tylko jeden kod genetyczny, jest potężnym dowodem na to, że całe życie na Ziemi ma wspólne pochodzenie, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że istnieje około 10⁸⁴ możliwych kombinacji 20 aminokwasów i 64 kodonów trypletowych.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Biology 2e, Chapter 15.1: The Genetic Code.