Kod - to system umownych znaków do zachowania i obróbki informacji
„Sherlock Holmes już od kilku godzin siedział milczący i zgarbiony nad chemiczną probówką, w której warzył coś śmierdzącego. Głowa jego była pochylona i on przypominał mi dziwnego kościstego ptaka z szarymi piórami i czarnym czubem”. Tak zaczyna się opowiadanie Arthura Conana Doyl'a - „Tańczące sylwetki”. W majątku Ridling Torp-Menor zaczynają zjawiać się dziwne rysunki w postaci tańczących sylwetek. Oto przykład jednego z takich rysunków.
Gospodarz majątku zwraca się o pomoc do genialnego detektywa Sherlocka Holmesa. Ten łatwo dochodzi do wniosku, że rysunki - to zaszyfrowane posłania. Holmes zabiera się za ich odszyfrowanie i okazuje się, że każda sylwetka odpowiada literze angielskiego alfabetu. Sherlock Holmes układa tabelę kodu - tabelę odpowiedniości między pozami sylwetek i literami.
Wykorzystując ten kod, można odszyfrować, co jest napisane w tajemniczym posłaniu: „przychodź tu szybko” (ang. „come here at once")\ Ten kod był opracowany przez szefa chicagowskiego gangu w celu obcowania z podwładnymi. Jednak o wiele ciekawszą i bardziej złożoną pracę wykonali uczeni w celu odgadnięcia najważniejszego kodu żywej przyrody - kodu genetycznego. Zanim przejdziemy do zapoznania się z tym fenomenem, podajmy definicję pojęcia „kod”.
Kod - to zasada odpowiedniości jednemu konkretnemu obiektowi wyraźnie określonej kombinacji symboli. Innymi słowy, kod - to reguła, zgodnie z którą symbole jednego systemu (na przykład litery) jednoznacznie uzgadniają się z symbolami innego systemu (na przykład z postaciami sylwetek).
Kod genetyczny - to kodowanie kolejności (sekwencji) aminokwasów w białkach odpowiednio do kolejności nukleotydów w kwasach nukleinowych
Jak już przypominaliśmy w poprzednim paragrafie, matrycowy RNA bierze udział w biosyntezie białka. Właśnie on zawiera informację o kolejności połączenia reszt amino-kwasowych w łańcuszek białka. Tę informację on otrzymał od cząsteczki DNA podczas
1 W ukraińskim tłumaczeniu Wołodymyra Panczenki sylwetki musiały wykonywać jeszcze inne ruchy, ponieważ w ukraińskim alfabecie jest więcej liter. Ciekawa rzecz, jak będzie wyglądał ten kod w języku khmerskim, który zawiera 72 litery?..transkrypcji.
Jeżeli natomiast w przypadku transkrypcji rybonukleotydy mRNA potrzebują odpowiedniości do deoksyrybonukieotydów według zasady komplementarności, to do syntezy cząsteczki białka komórka powinna dobrać odpowiednio do nukleotydów mRNA aminokwasy. Do tego ma być reguła. Ta reguła nazywa się kodem genetycznym.
Zbrodniarz Abe Slaney posługiwał się kodem gangu chicagowskiego, aby ukryć treść swoich wiadomości. A komórka wykorzystuje kod genetyczny z konieczności, bo kwasy nukleinowe i białka „mówią różnymi językami”: kwasy nukleinowe - językiem nukleotydów, a białka - językiem aminokwasów. Komórka musi tłumaczyć z języka nukleotydów na język aminokwasów w przybliżeniu tak samo, jak Sherlock Holmes tłumaczył z języka „tańczących sylwetek” na angielski. Tu jest ważny jeden szczegół: zdania w postaci tańczących sylwetek też były zapisane po angielsku, ale innymi symbolami. Można powiedzieć, że matrycowy RNA też napisany jest językiem białek, lecz innymi symbolami - nukleotydami. Nie można rozpatrywać tłumaczenia z języka kwasów nukleinowych na język białek jako tłumaczenie z angielskiego na ukraiński.
Chicagowscy bandyci musieli wymyślić 27 sylwetek, by zaszyfrować 27 liter angielskiego alfabetu. Lecz komórka ma tylko cztery nukleotydy, żeby zakodować 21 aminokwasów. Nie jest to łatwe.
Jednak ten problem można rozwiązać, jeżeli dobierać do aminokwasu kombinację z nukleotydów. Jeżeli będziemy kodować aminokwasy dwójkami nukleotydów, to otrzymamy: 4x4=16 kombinacji. Tego jest za mało, żeby kodować całą różnorodność aminokwasów (jest ich 20). Jeżeli natomiast będziemy kodować trójkami, to otrzymamy 4 x 4 x 4 = 64 kombinacje, a znaczy dostatecznie do kodowania wszystkich aminokwasów. I rzeczywiście, do kodowania aminokwasów komórka wykorzystuje trójki nukleotydów, tak zwane triplety. Tabela 24.1 demonstruje kod genetyczny komórki.
Tabela 24.1. Kod genetyczny (mRNA)
Po zapoznaniu się z tą tabelą można wyciągnąć następujące wnioski o właściwościach kodu genetycznego. Po pierwsze kod genetyczny jest trójkowy, czyli trójka nukleotydów koduje jeden aminokwas. Po drugie kod genetyczny jest nadmierny: tripletów jest więcej niż aminokwasów. Po trzecie kod genetyczny jest zdegenerowany. Jeden aminokwas może być kodowany przez kilka kodonów (kodonem nazywa się kombinacja z trzech nukleotydów - triplet). Po czwarte kod genetyczny jest jednoznaczny: jeden kodon koduje tylko jeden rodzaj aminokwasu. Po piąte kod genetyczny jest bezprzecinkowy (czyli kodony nie są rozdzielone), lecz zawiera znaki przestankowe: jeden „start” i trzy „koniec translacji” (stop-kodony).
Na ostatniej właściwości warto zatrzymać się dokładniej. Start-kodon (AUG) koduje też jeden z aminokwasów - metioninę, a więc wszystkie cząsteczki białka zaczynają się właśnie z metioniny1. Jednak często metionina jest rozmieszczona również w środku łańcucha białkowego. Przeważnie jako startowy wykorzystuje się pierwszy kodon AUG od początku matrycowego RNA, a reszta rozpoznaje się jako kodony metioniny. Jeszcze jedna osobliwość: stop-kodon UGA czasem koduje selenocysteinę - 21. aminokwas. Aby on był rozpoznany jako kodon selenocysteiny, a nie „stop”, po nim ma być rozmieszczona osobliwa kolejność nukleotydów.
Zwróćmy uwagę na jeszcze jedną właściwość kodu genetycznego, którą dokładniej omówimy w następnym paragrafie. Kod genetyczny jest nienakładający (nieza-chodzący): kolejne trójki położone są obok i nie zachodzą na siebie2.
Kod genetyczny jest uniwersalny (powszechny)
Kod genetyczny - to bardzo surowa reguła. Przestrzega jej każda komórka organizmu w ciągu całego życia. Najpierw był odszyfrowany kod genetyczny pałeczki okrężni-cy, lecz potem okazało się, że taki sam kod posiada i człowiek, i słonecznik. Postulowano uniwersalność kodu genetycznego: wszystkie żywe organizmy mają jednakowy kod genetyczny. Wynika stąd, że powstawszy jednego razu od wspólnego przodka wszystkich żywych organizmów, kod genetyczny więcej nie zmieniał się.
Ten fenomen ma logiczne tłumaczenie: jeżeli u któregoś organizmu powstaje odchylenie od kodu genetycznego, powiedzmy triplet AAA zaczyna kodować zamiast lizyny argininę, to we wszystkich jego białkach w połowie przypadków zamiast lizyny zaczyna zjawiać się arginina (dlaczego w połowie przypadków - spróbuj odpowiedzieć samodzielnie, uważnie rozpatrzywszy tabelę kodu genetycznego). To zakłóci strukturę i funkcję większości z nich i będzie śmiertelne dla istoty-wynalazcy.
Jednak warto zrobić kilka uwag. Popierwsze kod genetyczny powstał nie od razu. Najprawdopodobniej na różnych etapach ewolucji biologicznej (być może jeszcze przed powstaniem komórki) kod genetyczny ewoluował. Teraz są wszystkie podstawy, aby sądzić, że kod genetyczny był dwójkowy, czyli aminokwasy były kodowane dwójkami nukleotydów (tak więc aminokwasów było nie więcej niż 15) i tylko potem stał się trójkowy. Ale można z pewnością powiedzieć, że kod genetyczny ostatniego wspólnego przodka wszystkich żywych organizmów był taki sam jak u nas.
Po drugie kod genetyczny jednak zmienia się, chociaż bardzo powoli. Po raz pierwszy odchylenia były zauważone w mitochondriach człowieka. Z nich triplet UGA (który w kodzie klasycznym odczytuje się jako „stop”) koduje aminokwas tryptofan3,a triplet
1 Często on potem „wycina się" enzymami i u dojrzałej cząsteczki biatek jest nieobecny.
2 Ta zasada często zakłóca się u wirusów.
3 Jest to charakterystyczne dla mitochondriów wszystkich badanych organizmów.
ALIA (w kodzie klasycznym - izoleucyna) koduje metioninę. Potem były zauważone nieznaczne odchylenia w kodzie genetycznym niektórych bakterii i pierwotniaków, a także mitochondriów roślin i grzybów. Jednak te zmiany są rzadkie i nieznacznye, dlatego można mówić o uniwersalności kodu genetycznego (lub prawie uniwersalności lub, jak mówią uczeni, kwaziuniwersainości).
Jak odczytuje się kod genetyczny?
Teraz, mając dane kodu genetycznego, spróbujmy odszyfrować sekwencję amino-kwasową białka, zakodowaną w kolejności nukleotydów matrycowego RNA.
Najpierw wyznaczmy, gdzie jest początek tej wiadomości: to nie musi być pierwszy nukleotyd! Powinniśmy odnaleźć „start” - kodon AUG. Zaznaczmy położenie pierwszego AUG.
On koduje metioninę. Następnie, gdy kolejnie podstawimy aminokwasy z tabeli kodu genetycznego odpowiednio do tripietów nukleotydów, to otrzymamy łańcuszek: metionina (AUG) - walina (GUG) - ieucyna (UUA) - fenyloalanina (UUC) - prolina (CCA) - walina (CCA) - walina (GUG) - kwas glutaminowy (GAA) - glicyna (GGC).
Jest to tylko początek jednego z łańcuszków aminokwasowych białka. Takie łańcuchy mogą zawierać setki aminokwasów, a synteza jednego z nich trwa w komórce kilka minut. Jak ona to robi, rozpatrzymy w następnym paragrafie.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
To, że istnieje 64 triplety nukleotydów, a aminokwasów tylko 20, prowadzi do
A zdegenerowania kodu genetycznego В trójkowości kodu genetycznego C uniwersalności kodu genetycznego D jednoznaczności kodu genetycznego E bezprzecinkowości kodu genetycznego
2
Wszystkie trzy stop-kodony - to
A UAG, UGA, UUU В AUG, UAG, UGA
C U AA, AUG, UGG D U AA, UUU, UGG
E UGA, UAG, U AA
3
Jeżeli na mRNA znajduje się triplet AUC, to białko A będzie zawierać trzy reszty izoleucyny В będzie zawierać trzy reszty metioniny
C będzie zawierać trzy reszty izoleucyny i syntezować się trzy razy D będzie zawierać dwie reszty izoleucyny i jedną resztę metioniny E będzie zawierać trzy reszty aminokwasowe
4
Kolejność nukleotydów AAA - UGU - ACG - CCU odpowiada kolejności aminokwasów
A asparagina-cysteina-treonina-prolina В lizyna-fenyloalanina-prolina-treonina C lizyna-cysteina-prolina-treonina D lizyna-cysteina-treonina-prolina E asparagina-tryptofan-prolina-treonina
5
Metionina i tryptofan, w odróżnieniu od innych aminokwasów, kodują się tylko jednym kodonem. W stosunku do tych aminokwasów NIE realizuje się taka właściwość kodu genetycznego jak
A zdegenerowanie В trójkowość C uniwersalność
D jednoznaczność E nienakładalność
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Kod genetyczny zapewnia odpowiedniość między kolejnością nukleotydów i aminokwasów białka. Podaj charakterystykę podstawowych cech tej odpowiedniości.
7
Stop-kodony jeszcze nazywane są nonsens-kodonami (od łac. non - brak i senses-treść). Dlaczego one mają taką drugą nazwę? Czy ona jest uzasadniona?
8
Jakie są wady kodu trójkowego? Dlaczego żywe organizmy nie mogą wykorzystywać dwójkowego kodu genetycznego?
9
Czym wytłumaczyć, że bakterie, rośliny i zwierzęta posiadają identyczny kod genetyczny?
10
Dlaczego kod genetyczny uważany jest za kwaziuniwersalny?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Jak odszyfrowanie kodu genetycznego zmieniło postrzeganie otaczającego świata? Jakie możliwości i technologie były odkryte?
12
Wielu organizmom właściwe jest zjawisko „przekrzywienia się według kodo-nów”. Przy tym z kilku trypletów, które kodują określony aminokwas, niektóre wykorzystują się częściej od innych. Jak i w jakim celu może być wykorzystywane to dziwne zjawisko?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Zdegenerowanie i nadmierność kodu genetycznego dają organizmom niektóre przewagi w porównaniu z sytuacją, kiedy ilość aminokwasów i tripletów byłaby jednakowa. Na czym polegają te przewagi? Dlaczego z reguły różni się trzeci nukleotyd kodonu?
14
Francis Crick wysłowił hipotezę „zamrożonego przypadku”, co do tego, że stosunek tripletów i kodowanych przez nich aminokwasów jest pierwszym, przypadkowo zafiksowanym systemem. Jakie właściwości kodu genetycznego obalają tę hipotezę?
Dodatek VI
Jak odszyfrowano kod genetyczny?
Struktura i aktywność białka w organizmie zależy od kolejności aminokwasów, które są w jego cząsteczce. W skład białka wchodzi 20 aminokwasów. James Watson i Francs Crick w roku 1953 wykryli, że DNA składa się z dwóch łańcuchów nukleotydów, których zasady azotowe (A, T, G, C) łączą się wiązaniami wodorowymi i tworzą helisę. Było wiadomo, że DNA odpowiada za właściwości dziedziczne, że on w jakiś sposób koduje białka w organizmie. Pozostawało niewyja-
śnione, jak strukturalne jednostki białka - aminokwasy - odpowiadają jednostkom strukturalnym DNA, które je kodują - czterem nukleotydom. Uczeni przypuścili, że istnieje jakiś specjalny kod.
Fizyk Georgij Gamow w 1958 roku zwrócił uwagę na to, że w takim razie jeden aminokwas miałby kodować co najmniej trzy nukleotydy. Gdyby jednemu nukleotydowi odpowiadał jeden aminokwas, to można by było zakodować tylko 4 aminokwasy. Gdyby za jeden aminokwas odpowiadały dwa nukleotydy, to z czterech nukleotydów można by było ułożyć 42 = 16 dwuliterowych kombinacji i zakodować tylko 16 aminokwasów, a ich jest więcej. Otóż kod genetyczny, jak minimum, jest trójliterowy, czyli trójkowy.
W 1961 roku Francis Crick ze współpracownikami badał mutacje u bakteriofagów, oddziałując na nich mutagenem - akrydyną. Za pomocą tych doświadczeń oni stwierdzili, że kodony są trójkowe, między nimi nie ma znaków przestankowych („przecinków”); geny, które kodują strukturę białek, mają stały początek, określony kierunek i stałe zakończenie; istnieje nieduża ilość nie-kodujących kodonów. Sprostowano wcześniej wysunięte teoretyczne przypuszczenie, że kod jest nakładający.Kod nie jest nakładający - kolejne trójki położone są obok i nie zachodzą na siebie.
Kod genetyczny pałeczki okrężnicy był odszyfrowany w systemie bezkomórkowym w 60. latach przez Marshalla Nirenberga i Heinricha Matthaeia. Komórkowy ekstrakt bakterii zawierał wszystko, co jest niezbędne do syntezy białka: rybosomy do zbierania białka, aminokwasy, enzymy, źródło energii. Badacze dodawali do systemu mieszaninę aminokwasów i łańcuchy nukleotydów o znanej strukturze (гус. VI.1). W każdej z 20 prób w mieszaninie aminokwasów była radioaktywnie znakowana tylko jedna. Na przykład przy dodawaniu kwasu poliurydylowego (zawiera tylko uracyl) jako matrycy RNA powstawał łańcuszek aminokwasowy, który zawierał znakowaną fenyloalaninę. Za pomocą prostego doboru ustalono, że kodon UUU koduje tylko fenyloalaninę. Lecz trójki nukleotydów o określonej kolejności otrzymywać na razie nie umieli.
Amerykański biolog Har Gobin Khorana do 1965 roku nauczył się syntezować krótkie fragmenty RNA z określoną kolejnością - najpierw duplety (dinukleotydy), a potem triplety (trójnu-kleotydy). Potem zaczęto wprowadzać do systemu triplety o zadanej strukturze. Na przykład dodając triplet, który zawiera 2U i1G, ustalili, że walina jest kodowana kodonem GUU, a nie UGU i UUG i tak dalej. W ten sposób stopniowo, kodon za kodonem odszyfrowano kod genetyczny pałeczki okrężnicy.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow