Genetički kod
Usaglašenost u građi DNK, RNK i proteina je očigledna, sva tri molekula su polimeri građeni u vidu lanaca čije su karike (monomeri) nukleotidi (u DNK i RNK) ili aminokiseline (u proteinima). Kako se poruka sadržana u genima preko RNK prenese do proteina? U kom obliku je ta poruka kada nukleinske kiseline i proteini ne ''govore'' istim ''jezikom''?
Upoznavanjem primarne i sekundarne strukture DNK postalo je jasno da je genetička informacija u DNK smeštena u obliku šifre (koda). Sinteza proteina predstavljala bi zapravo proces dešifrovanja ili prevođenja sa ''jezika'' nukleotida na ''jezik'' aminokiselina. Pri tome se genetička informacija koju nosi iRNK, koja je u vidu redosleda nukleotida (''jezik'' nukleotida), prevodi u redosled aminokiselina (''jezik'' aminokiselina) u proteinu. Posrednik (''prevodilac'') u tom preocesu je tRNK koja razume oba ''jezika''.
''Jezik'' za prenošenje genetičke poruke od DNK (gena) do proteina naziva se genetička šifra (kod), a sadržana je u redosledu nukleotida na lancu DNK. Njegova jedinica je niz od tri nukleotida DNK (triplet) i on se u celini komplementarno prenosi na i-RNK (koja umesto timina ima uracil). Svaki triplet na i-RNK je kodon za jednu aminokiselinu, a niz međusobno povezanih aminokiselina čini polipeptidni lanac (protein).
Sadržaj
Kod, kodon, antikodon
S obzirom da se proteini sastoje od 20 aminokiselina, a nukleinske kiseline od samo 4 različita nukleotida, jasno je da različite grupe od nekoliko nukleotida predstavljaju šifre za različite aminokiseline. Grupe od po dva nukleotida mogle bi da šifruju samo 16 aminokiselina (42= 16 ). Zato , broj različitih grupa od po tri nukleotida (triplet) koje mogu da sačine četiri nukleotida iznosi 64 (43=64), a to je više nego dovoljno za šifrovanje 20 aminokiselina. Tri uzastopna ista ili različita nukleotida DNK (triplet) nazivaju se kod. Kodovi DNK se prepisuju na i-RNK tako da ona sadrži kodone.Prepisivanje se vrši po principu komplementarnosti tako da da se npr. kod DNK ATG (adenin-timin-guanin) prepisuje u kodon UAC na i-RNK. Odnosi između kodona i aminokiselina određeni su skupom znakova koji se nazivaju genetički kod.
Početak i kraj šifre za sintezu jednog polipeptidnog lanca obeleženi su posebnim kodonima. Kodoni u iRNK se čitaju tokom translacije u 5'-3' pravcu počev od start-kodona pa sve dok se ne stigne do stop-kodona. Početak je obeležen start-kodonom (AUG), a kraj stop-kodonima (UAA, UAG i UGA). Start-kodon, osim što predstavlja mesto od koga započinje čitanje i-RNK (translacija) je istovremeno i kodon koji određuje aminokiselinu metionin. Stop-kodoni ne odgovaraju ni jednoj aminokiselini pa se nazivaju i besmislenim kodonima (engl. nonsense). Kodoni iRNK određuju redosled amino kiselina u proteinu koji počinje metioninom (na N-kraju polipeptidnog lanca) pa sve do C-kraja polipeptidnog lanca. (Polipeptidni lanac ima dva kraja: N-kraj na kome se nalazi amino grupa i C-kraj na kome je karboksilna grupa.)
Ulogu prevodioca ove šifre u redosled aminokiselina u proteinu igra t-RNK koja sadrži antikodon. Antikodon je triplet nukleotida t-RNK komplementaran kodonu i-RNK. U zavisnosti od toga koji antikodon sadrži t-RNK će za sebe vezati tačno određenu aminokiselinu. Npr.aminokiselina izoleucin određena je kodonom ATG koji se na i-RNK prepisuje u kodon UAC pa će se izoleucin vezati za t-RNK koja nosi antikodon AUG.
Kako je otkriven genetički kod
Da bi otkrili genetički kod istraživači su morali da shvate kako sekvence nukleotida u DNK ili RNK kodiraju sekvence amino kiselina u polipeptidu. Zamislimo vrlo jednostavan kod, da svaki nukleotid u DNK ili RNK kodira jednu amino kiselinu u polipeptidu. Taj kod ne može da funkcioniše jer, kao što je već rečeno, tako bi bile kodirane samo 4 amino kiseline. Dakle, kod mora da obuhvati nešto složenije od podudaranja nukleotida i amino kiseline.
Tripletna hipoteza
Pedesetih godina prošlog veka fizičar Džordž Gamov je predvideo da je genetički kod verovatno sastavljan od tripleta nukleotida. Predložio je da tri nukleotida u genu kodiraju jednu amino kiselinu. On je zaključio da ni dubleti (dva nukleotida po amino kiselini) ne bi funkcionisali jer 16 takvih dubleta (42= 16) nije dovoljno za kodiranje 20 amino kiselina.
Gamova tripletna hipoteza delovala je sasvim logično i bila je široko prihvaćena. Međutim, to još uvek nije bilo eksperimentalno dokazano i još uvek se nije znalo koji tripleti odgovaraju amino kiselinama. On je imao i neke druge ideje koje se nisu pokazale tačnim. Kao što je ideja da se tripleti prilikom čitanja preklapaju, što znamo da nije tačno. Svakako, osnova njegove teorije da je triplet ''minimum'' koji pokriva svih 20 amino kiselina, pokazala se ispravnom.
Dešifrovanje genetičkog koda
Radom američkog biohemičara Maršala Nirenberga i njegovih saradnika 1961. godine počela je identifikacija specifičnih tripleta koji odgovaraju određenim amino kiselinama, odnosno, otkrivanje značenja kodona. Do rezultata su došli zahvaljujući dvema novinama koje su uveli u svoje eksperimente:
- napravili su veštačkie molekule iRNK koji imaju određene, poznate sekvence i
- napravili su sistem u kome se iRNK prevodi u polipeptid van ćelije; sistem se sastojao od citoplazme bakterije E.coli koja sadrži sve što je potrebno za prevođenje (translaciju).
Nirenberg i njegovi saradnici su prvo sintetisali iRNK koja se sastojala samo od nukleotida sa uracilom (nazvana je poli-U). Kada su poli-U iRNK dodali u sistem od citoplazme E. coli otkrili su da su sintetisani polipeptidi koji sadrže isključivo amino kiselinu fenilananin. Pošto je jedini triplet u iRNK bio UUU, zaključili su da taj triplet može da kodira fenilalanin. Na sličan način su sintetisali poli-C iRNK (sadrži samo nukleotide sa citozinom). Koristeći isti pristup, pokazali su da poli-C iRNK prevedena daje polipeptid izgrađen isključivo od amino kiseline prolin. To je ukazalo da triplet CCC predstavlja kod za prolin.
Na ovaj rad nadovezali su se i proširili ga drugi istraživači. Biohemičar sa američkog Univerziteta Viskonsin Har Gobind Khorana je sintetisao veštačke iRNK sa složenijim sekvencama. Tako je u jednom od eksperimenata sintetisana poli-UC iRNK (sadržala je nukleotide sa uracilom i nukleotide sa citozinom (UCUCUCUC...). U sistemu van ćelije, koji je bio sličan Nirenbergovom, ta poli-UC iRNK prevedena je u polipeptid u kome su se naizmenično smenjivale dve amino kiseline serin i leucin. Taj rezultat, zajedno sa mnogim drugim, potvrdio je da se genetički kod zasniva na tripletima ili kodonima. Danas se zna fda je serin kodiran kodonom UCU, a leucin kodonom CUC.
Ovakvim i sličnim eksperimentima do 1965. godine dešifrovan je čitav genetički kod. Nirenberg, Khorana i Robert Holi (takođe se bavio dešifrovanjem genetičkog koda) su 1968. godine dobili Nobelovu nagradu.
Svojstva genetičkog koda
Genetički kod pokazuje tri važne osobine:
- univerzalnost,
- izrođenost i
- očitava se bez preklapanja.
Univerzalnost znači da je g. kod isti za sve biološke vrste, odnosno da pojedini kodoni u gotovo svim biološkim vrstama odgovaraju istoj aminokiselini. Univerzalnost genetičkog koda ukazuje da postoji zajednički evolucioni jezik. I pored stotine miliona godina evolucije genetički kod se malo promenio. U izvesnom smislu ljudski genetički kod ima mnogo sličnosti sa kodom bakterija ili biljaka. Minimalne razlike se mogu uporediti sa dijalektima jednog istog jezika, a ne sa dva različita jezika.
Izrođenost (degenerativnost) genetičkog koda znači da jednu aminokiselinu najčešće određuje veći broj kodona. Kodoni koji određuju istu aminokiselinu često su vrlo slični i najčešće se razlikuju samo u trećem nukleotidu, tako da ako dođe do zamene nukleotida to ne predstavlja i zamenu aminokiseline u proteinu.
Očitavanje bez preklapanja (okvir čitanja) znači da nukleotidi jednog kodona nikada ne pripadaju istovremeno i susednim kodonima. Start-kodon je ključni signal. Pošto translacija počinje na start-kodonu i nastavlja se čitanjem po tri uzastupna nukleotida, položaj start-kodona osigurava da se iRNK čita u ispravnom okviru (''tri po tri'').
Tabela standardnog genetičkog koda
| Друга база | Трећа
база | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | |||
| Прва база |
U |
UUU (Phe/F) Fenilalanin |
UCU (Ser/S) Serin |
UAU (Tyr/Y) Tirozin |
UGU (Cys/C) Цистеин | U
C A G |
| C |
CUU (Leu/L) Леуцин |
CCU (Pro/P) Пролин |
CAU (His/H) Хистидин |
CGU (Arg/R) Аргинин | U
C A G | |
| A |
AUU (Ile/I) Изолеуцин, Start2 |
ACU (Thr/T) Треонин |
AAU (Asn/N) Aспарагин |
AGU (Ser/S) Serin | U
C A G | |
| G |
GUU (Val/V) Валин |
GCU (Ala/A) Aланин |
GAU (Asp/D) Аспаратинска киселина |
GGU (Gly/G) Glicin | U
C A G | |
1 Kodon AUG je šifra za aminokiselinu metionin i u isto vreme je sart-kodon.
2Start-kodon samo kod prokariota.
Literatura
- Dumanović, J, marinković, D, Denić, M: Genetički rečnik, Beograd, 1985.
- Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike, Beograd, 1986.
- Lazarević, M: Ogledi iz medicinske genetike, Beograd, 1986.
- Marinković, D, Tucić, N, Kekić, V: Genetika, Naučna knjiga, Beograd
- Matić, Gordana: Osnovi molekularne biologije, Zavet, Beograd, 1997.
- Prentis S: Biotehnologija, Školska knjiga, Zagreb, 1991.
- Ridli, M: Genom - autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato, Beograd, 2001.
- Tatić, S, Kostić, G, Tatić, B: Humani genom, ZUNS, Beograd, 2002.
- Tucić, N, Matić, Gordana: O genima i ljudima, Centar za primenjenu psihologiju, Beograd, 2002.
- Švob, T. i sradnici: Osnovi opće i humane genetike, Školska knjiga, Zagreb, 1990.
- Šerban, Nada: ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001.
- https://www.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/central-dogma-transcription/a/the-genetic-code-discovery-and-properties
