Codice genetico: caratteristiche ed eccezioni del codice genetico

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Sebbene il DNA sia composto solo da quattro tipi di nucleotidi, quest'ultimo può essere posizionato in innumerevoli modi. Quindi una catena di DNA di sole dieci lunghezze di nucleotidi può avere 4 10 o 1.048.576 tipi di filamenti. Poiché una singola molecola di DNA ha diverse migliaia di nucleotidi, nel DNA può essere incorporata una specificità senza limiti.

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Esiste una connessione intima tra geni e sintesi di polipeptidi o enzimi. Nella terminologia moderna un gene si riferisce a un cistrone del DNA. Un cistron è costituito da un gran numero di nucleotidi. La disposizione dei nucleotidi o delle loro basi azotate è collegata alla sintesi delle proteine ​​influenzando l'incorporazione di aminoacidi in esse. La relazione tra la sequenza di aminoacidi in una sequenza di polipeptidi e nucleotidi di DNA o mRNA è chiamata codice genetico.

C'è un problema Il DNA contiene solo quattro tipi di basi azotate o nucleotidi mentre il numero di amminoacidi è 20. È stato quindi ipotizzato da George Gamow, un fisico, che il codice tripletta (costituito da tre basi adiacenti per un amminoacido) è operativo. Un certo numero di ricerche ha contribuito a decifrare il codice genetico negli anni '60, ad esempio Francis HC Crick, Severo Ochoa, Marshal W. Nirenberg, Hargobind Khorana e JH Matthaei.

Severo Ochoa scoprì la polisucleotide fosforilasi che poteva polimerizzare i ribonucleotidi per produrre RNA senza alcun modello. Hargobind Khorana ha sviluppato la tecnica di sintesi delle molecole di RNA con una combinazione ben definita di basi (omopolimeri e copolimeri).

Marshall Nirenberg ha scoperto il metodo di sintesi proteica nei sistemi cellulari liberi. Nel 1968 il Nobel è stato assegnato a Holley, Nirenberg e Khorana per il loro lavoro sul codice genetico e sul suo funzionamento. Le diverse ricerche che hanno aiutato a decifrare il codice genetico della tripletta sono le seguenti:

1. Crick et al (1961) hanno osservato che la delezione o l'aggiunta di una o due coppie di basi nel DNA del batteriofago T 4 disturbavano il normale funzionamento del DNA. Tuttavia, quando sono state aggiunte o eliminate tre coppie di basi, il disturbo era minimo.

2. Nirenberg e Matthaei (1961) hanno sostenuto che un singolo codice (un amminoacido specificato da una base di azoto) può specificare solo 4 acidi (4 1 ), un doppio codice solo 16 (4 2 ) mentre un codice tripletta può specificare fino a 64 amminoacidi (4 3 ). Poiché ci sono 20 amminoacidi, può essere operativo un codice tripletto (tre basi di azoto per un amminoacido).

3. Nirenberg (1961) ha preparato i polimeri dei quattro nucleotidi - UUUUUU (acido poliuridilico), CCCCCC ... (acido policitidilico), AAAAAA ... (acido poliadenilico) e GGGGGG ... (acido polichilico). Ha osservato che poli-U ha stimolato la formazione di polifenilanalina, poli-C di polipropolina mentre poli-A ha contribuito a formare la polilisina. Tuttavia, poly-G non ha funzionato (ha formato una struttura a triplo filamento che non funziona nella traduzione). Più tardi, GGG è stato trovato per codificare per glicina amminoacido.

4. Khorana (1964) sintetizzava copolimeri di nucleotidi come UGUGUGUG ... e osservava che stimolavano la formazione di polipeptidi aventi amminoacidi alternativamente simili come cisteina-valina-cisteina. Questo è possibile solo se tre nucleotidi adiacenti specificano un amminoacido (ad es. UGU) e altri tre il secondo amminoacido (ad es. GUG).

5. I codoni tripletti sono stati confermati dall'assegnazione del codone in vivo tramite:

(i) studi sulla sostituzione degli aminoacidi

(ii) mutazioni del frame shift.

6. Lentamente tutti i codoni sono stati elaborati (Tabella 6.4). Alcuni amminoacidi sono specificati da più di un codone. I linguaggi di codice del DNA e dell'mRNA sono complementari. Quindi i due codoni per la fenilalanina sono UUU e UUC in caso di mRNA mentre sono AAA e AAG per DNA. Normalmente il codice genetico rappresenta il linguaggio dell'mRNA. Questo perché i costituenti citoplasmatici possono leggere il codice dall'mRNA e non il DNA presente all'interno del nucleo.

caratteristiche:

1. Codice tripletta:

Tre basi azotate adiacenti costituiscono un codone che specifica il posizionamento di un amminoacido in un polipeptide.

2. Segnale di avvio:

La sintesi del polipeptide è segnalata da due codoni di iniziazione - comunemente AUG o metionina codone e rafdly GUG o valina codone. Hanno doppie funzioni.

3. Segnale di stop:

La terminazione della catena polipeptidica è segnalata da tre codoni di terminazione: UAA (ocra), UAG (ambra) e UGA (opale). Non specificano alcun amminoacido e quindi sono anche chiamati codoni senza senso.

4. Codice universale:

Il codice genetico è applicabile universalmente, cioè un codone specifica lo stesso amminoacido da un virus ad un albero o ad un essere umano. Così l'mRNA dell'uccellotto ovidotto introdotto in Escherichia coli produce ovalbumen nel batterio esattamente simile a quello formato nel pulcino.

5. Codoni non ambigui:

Un codone specifica solo un amminoacido e non un altro.

6. Codoni correlati:

Gli aminoacidi con proprietà simili hanno codoni correlati, ad es. Aminoacidi aromatici triptofano (UGG), fenilalanina (UUC, UUU), tirosina (UAC, UAU).

7. Commestare:

Il codice genetico è continuo e non possiede pause dopo le terzine. Se un nucleotide viene eliminato o aggiunto, l'intero codice genetico leggerà in modo diverso. Quindi un polipeptide avente 50 amminoacidi deve essere specificato da una sequenza lineare di 150 nucleotidi. Se un nucleotide viene aggiunto o eliminato nel mezzo di questa sequenza, i primi 25 aminoacidi del polipeptide saranno uguali ma i prossimi 25 aminoacidi saranno molto diversi.

8. Polarità:

Il codice genetico ha una polarità. Il codice dell'mRNA viene letto dalla direzione 5 '-> 3'.

9. Codice non sovrapposto:

Una base di azoto è specificata da un solo codone.

10. Degenerazione del codice:

Poiché ci sono 64 codoni triplet e solo 20 amminoacidi, l'incorporazione di alcuni amminoacidi deve essere influenzata da più di un codone. Solo triptofano (UGG) e metionina (AUG) sono specificati da singoli codoni. Tutti gli altri amminoacidi sono specificati da due (es. Fenilalanina - UUU, UUC) a sei codoni (ad es. Arginina - CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG).

Questi ultimi sono chiamati codec degenerati o ridondanti. Nei codoni degenerati, generalmente le prime due basi azotate sono simili mentre la terza è diversa. Poiché la terza base di azoto non ha alcun effetto sulla codifica, la stessa viene chiamata posizione di oscillazione (ipotesi di Wobble; Crick, 1966).

11. Colinearità:

Sia il polipeptide che il DNA o l'mRNA hanno una disposizione lineare dei loro componenti. Inoltre, la sequenza di basi nucleotidiche di triplette nel DNA o mRNA corrisponde alla sequenza di amminoacidi nel polipeptide prodotto sotto la guida del primo. Il cambiamento nella sequenza di codoni produce anche un cambiamento simile nella sequenza di amminoacidi del polipeptide.

12. Parità Cistina-Polipeptide:

Porzione di DNA chiamata cistron (= gene) specifica la formazione di un particolare polipeptide. Significa che il sistema genetico dovrebbe avere altrettanti cistrons (= geni) come i tipi di polipeptidi trovati nell'organismo.

eccezioni:

1. Codoni diversi:

In Paramecium e alcuni altri codificatori di terminazione di ciliati UAA e codice UGA per glutammina.

2. Geni sovrapposti:

ф x 174 ha 5375 nucleotidi che codificano per 10 proteine ​​che richiedono più di 6000 basi. Tre dei suoi geni E, В e К si sovrappongono ad altri geni. La sequenza nucleotidica all'inizio del gene E è contenuta nel gene D. Allo stesso modo il gene К si sovrappone ai geni A e C. Una condizione simile si riscontra nell'SV-40.

3. geni mitocondriali:

Codice AGG e AGA per l'arginina ma funzionano come segnali di arresto nel mitocondrio umano. L'UGA, un codone di terminazione, corrisponde al triptofano mentre l'AUA (codone per isoleucina) denota la metionina nei mitocondri umani.