Il codice genetico, espresso in codoni, è un sistema per codificare informazioni sulla struttura delle proteine, inerente a tutti gli organismi viventi sul pianeta. La sua decodifica ha richiesto un decennio, ma il fatto che esista la scienza lo ha compreso per quasi un secolo. Universalità, specificità, unidirezionalità e soprattutto la degenerazione del codice genetico sono di grande importanza biologica.
Cronologia delle scoperte
Il problema della codifica delle informazioni genetiche è sempre stato fondamentale in biologia. La scienza si è mossa piuttosto lentamente verso la struttura a matrice del codice genetico. Dalla scoperta da parte di J. Watson e F. Crick nel 1953 della struttura a doppia elica del DNA, iniziò la fase di svelare la struttura stessa del codice, che suscitò fiducia nella grandezza della natura. La struttura lineare delle proteine e la stessa struttura del DNA implicavano la presenza di un codice genetico come corrispondenza di due testi, ma scritti utilizzando alfabeti diversi. E sesi conosceva l'alfabeto delle proteine, poi i segni del DNA divennero oggetto di studio per biologi, fisici e matematici.
Non ha senso descrivere tutti i passaggi per risolvere questo enigma. Un esperimento diretto, che ha dimostrato e confermato l'esistenza di una chiara e consistente corrispondenza tra i codoni del DNA e gli amminoacidi proteici, è stato condotto nel 1964 da C. Janowski e S. Brenner. E poi - il periodo di decifrazione del codice genetico in vitro (in vitro) utilizzando le tecniche di sintesi proteica in strutture prive di cellule.
Il codice E. coli completamente decifrato è stato reso pubblico nel 1966 in un simposio di biologi a Cold Spring Harbor (USA). Poi è stata scoperta la ridondanza (degenerazione) del codice genetico. Cosa significa questo è stato spiegato molto semplicemente.
La decodifica continua
L'ottenimento di dati sulla decodifica del codice ereditario è diventato uno degli eventi più significativi del secolo scorso. Oggi la scienza continua a studiare a fondo i meccanismi delle codifiche molecolari e le sue caratteristiche sistemiche e una sovrabbondanza di segni, che esprime la proprietà della degenerazione del codice genetico. Un ramo di studio separato è l'emergere e l'evoluzione del sistema di codifica per il materiale ereditario. L'evidenza della relazione tra polinucleotidi (DNA) e polipeptidi (proteine) ha dato impulso allo sviluppo della biologia molecolare. E questo, a sua volta, alla biotecnologia, alla bioingegneria, alle scoperte nella selezione e nella produzione delle colture.
Dogmi e regole
Il dogma principale della biologia molecolare: l'informazione viene trasferita dal DNA all'informazioneRNA, e poi da esso alle proteine. Nella direzione opposta, la trasmissione è possibile da RNA a DNA e da RNA a un altro RNA.
Ma la matrice o la base è sempre il DNA. E tutte le altre caratteristiche fondamentali della trasmissione dell'informazione sono un riflesso di questa natura matriciale della trasmissione. Vale a dire, il trasferimento per sintesi sulla matrice di altre molecole, che diventeranno la struttura della riproduzione dell'informazione ereditaria.
Codice genetico
La codifica lineare della struttura delle molecole proteiche viene effettuata utilizzando codoni complementari (triplette) di nucleotidi, di cui ne esistono solo 4 (adeina, guanina, citosina, timina (uracile)), che porta spontaneamente alla formazione di un' altra catena di nucleotidi. Lo stesso numero e la complementarità chimica dei nucleotidi è la condizione principale per tale sintesi. Ma durante la formazione di una molecola proteica, non c'è corrispondenza tra la quantità e la qualità dei monomeri (i nucleotidi del DNA sono aminoacidi proteici). Questo è il codice ereditario naturale - un sistema per registrare nella sequenza dei nucleotidi (codoni) la sequenza degli amminoacidi in una proteina.
Il codice genetico ha diverse proprietà:
- Tripletezza.
- Unicità.
- Orientamento.
- Non sovrapposti.
- Ridondanza (degenerazione) del codice genetico.
- Versatilità.
Diamo una breve descrizione, concentrandoci sul significato biologico.
Tripletezza, continuità e semafori
Ciascuno dei 61 amminoacidi corrisponde a una tripletta semantica (tripla) di nucleotidi. Tre triplette non portano informazioni sull'amminoacido e sono codoni di stop. Ogni nucleotide nella catena fa parte di una tripletta e non esiste da solo. Alla fine e all'inizio della catena di nucleotidi responsabili di una proteina si trovano i codoni di stop. Avviano o interrompono la traduzione (la sintesi di una molecola proteica).
Specifico, non sovrapposto e unidirezionale
Ogni codone (tripletto) codifica per un solo amminoacido. Ogni tripletta è indipendente da quella vicina e non si sovrappone. Un nucleotide può essere incluso in una sola tripletta della catena. La sintesi proteica va sempre in una sola direzione, che è regolata dai codoni di stop.
Ridondanza del codice genetico
Ogni tripletta di nucleotidi codifica per un amminoacido. Ci sono 64 nucleotidi in totale, di cui 61 codificano per amminoacidi (codoni di senso) e tre sono privi di significato, cioè non codificano per un amminoacido (codoni di stop). La ridondanza (degenerazione) del codice genetico sta nel fatto che in ciascuna tripletta possono essere effettuate sostituzioni: radicale (portano alla sostituzione dell'amminoacido) e conservativo (non cambia la classe dell'amminoacido). È facile calcolare che se si possono effettuare 9 sostituzioni in una tripletta (posizioni 1, 2 e 3), ogni nucleotide può essere sostituito da 4 - 1=3 altre opzioni, allora il numero totale di possibili opzioni di sostituzione nucleotidica sarà 61 x 9=549.
La degenerazione del codice genetico si manifesta nel fatto che 549 varianti sono molto più dinecessario per codificare informazioni su 21 aminoacidi. Allo stesso tempo, su 549 varianti, 23 sostituzioni porteranno alla formazione di codoni di stop, 134 + 230 sostituzioni sono conservative e 162 sostituzioni sono radicali.
La regola della degenerazione e dell'esclusione
Se due codoni hanno due primi nucleotidi identici e gli altri sono nucleotidi della stessa classe (purina o pirimidina), allora portano informazioni sullo stesso amminoacido. Questa è la regola della degenerazione o ridondanza del codice genetico. Due eccezioni - AUA e UGA - la prima codifica per la metionina, anche se dovrebbe essere isoleucina, e la seconda è un codone di stop, anche se dovrebbe codificare per il triptofano.
Il significato di degenerazione e universalità
Sono queste due proprietà del codice genetico ad avere il maggior significato biologico. Tutte le proprietà sopra elencate sono caratteristiche delle informazioni ereditarie di tutte le forme di organismi viventi sul nostro pianeta.
La degenerazione del codice genetico ha un valore adattativo, come la duplicazione multipla del codice di un amminoacido. Inoltre, ciò significa una diminuzione della significatività (degenerazione) del terzo nucleotide nel codone. Questa opzione riduce al minimo il danno mutazionale nel DNA, che porterà a gravi violazioni della struttura proteica. Questo è il meccanismo di difesa degli organismi viventi del pianeta.
