Genetický kód
Rozluštění genetického kódu se datuje do roku 1961, kdy bylo pokusy s translací in vitro zjištěno, že vždy trojice nukleotidů (triplet) kóduje určitou aminokyselinu.
- tyto triplety se nazývají kodony
- 4 báze DNA a RNA se mohou kombinovat jako 43=64 kodonů, které specifikují 20 proteinogenních aminokyselin pro tvorbu proteinů
- genetický kód je degenerovaný
- počet kodonů je větší než počet aminokyselin – všechny amk s výjimkou tryptofanu a methioninu jsou kódovány více triplety
- genetický kód se tedy vyznačuje nadbytečností – označujeme jej jako degenerovaný
- kodony, které specifikují stejnou aminokyselinu se nazývají synonymní
- variace mezi synonymními kodony se týkají hlavně 3. pozice v tripletu, rozhodující úlohu mají obvykle první dvě báze kodonu
- degenerace genetického kódu minimalizuje efekt mutací
- díky degeneraci také nelze z proteinu určit strukturu mRNA, jež ho kódovala, naopak však strukturu proteinů můžeme určit zcela přesně
- ze 64 kodonů kóduje aminokyseliny 61 kodonů – zbývající 3 (UAG, UGA a UAA) jsou tzv. terminační kodony nebo stop kodony a proteosyntézu ukončují (tRNA mající komplementární antikodon totiž nese místo amk obvykle vodu)
- proteosyntéza je naopak zahájena v místě iniciačního kodonu AUG, který kóduje methionin
- je lokalizován v některém z prvních exonů a určuje čtecí rámec sekvence RNA
- každá sekvence RNA může být čtena třemi soubory kodonů, podle toho, která báze je vybrána jako začátek kodonu
- soubor kodonů, který je omezen iniciačním a terminačním kodonem se nazývá otevřený čtecí rámec – ORF, open reading frame
- genetický kód je považován za univerzální
- stejným způsobem ho využívají všechny organismy
- existují však výjimky – zejména mitochondrie a některé jednobuněčné organismy
- např. v mitochondriách UGA (obvykle terminační) kóduje tryptofan a naopak AGA a AGG (obvykle arginin) jsou terminační
- ne všechny synonymní kodony jsou užívány u různých druhů se stejnou četností – některé více, některé méně – tzv. kodonový dialekt
___________
Proteosyntéza – biosyntéza bílkovin – představuje pochod, při kterém se genetická informace uchovávaná a předávaná v řeči DNA exprimuje, tj. realizuje formou bílkovin. Proteosyntéza se také nazývá translace – překlad, neboť představuje biochemický převod informace z řeči nukleových kyselin do řeči bílkovin.
Genetická informace je lineární, je uložena ve formě polynukleotidového vlákna (obvykle) DNA, což je polymer nukleotidů. Připomeňme, že používá čtyř písmen – nukleotidy A, G, C a T (adenin, guanin, cytozin, thymin). Naproti tomu bílkoviny jsou složeny jak z biochemického, tak i stereochemického hlediska ze zcela jiných písmen nazývaných aminokyseliny. Počet těchto aminokyselin dnes dosahuje čísla 22. Při tvorbě bílkoviny se rovněž spojují, polymerují do lineárního vlákna a dá se říci, že existuje kolinearita (souběžnost) mezi pořadím nukleotidů v DNA a sekvencí aminokyselin v bílkovině, která je touto DNA kódována. Prakticky jde tedy při translaci o vytvoření bílkovinného vlákna podle vlákna polynukleotidového. Podle konvence se polynukleotidové sekvence píší ve směru 5'–3' a aminokyselinové sekvence proteinu od amino N-konce ke karboxylovému C-konci, což odpovídá směrům jejich čtení.
Jak už odvodili F. Jacob a J. Monod, „přeměna“ DNA na bílkovinu neprobíhá přímo, ale přes prostředníka, kterým jsou mRNA. Každá mRNA je kopií určitého úseku jednoho z vláken DNA zhruba v délce jednoho nebo více genů. Tak jako DNA nese tedy stejnou specifickou zprávu pro výrobu jedné nebo více bílkovin. Nukleotid T je však v mRNA nahrazen jiným pyrimidinovým nukleotidem U a jako cukerná složka zde slouží ribóza a ne deoxyribóza jako v DNA. Navíc je RNA přirozeně jednovláknová[1]. Tím vším se však RNA stává i mnohem labilnejší než DNA. Dá se snadno a rychle odbourat přirozenými mechanismy buňky, když už se např. dosáhlo požadované hladiny dané bílkoviny a její přebytek by byl buňce k ničemu anebo by mohl i škodit (např. nadbytek mRNA kódující protoonkogeny). Uvádí se, že v buňce E. coli je průměrný poločas mRNA asi 2–3 minuty, naopak mRNA kódující v eukaryotické buňce β-globin má poločas delší než 10 hodin.
| Ala | A | GCU, GCC, GCA, GCG | Phe | F | UUU, UUC |
| Arg | R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Pro | P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Asn | N | AAU, AAC | Ser | S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Asp | D | GAU, GAC | Thr | T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Cys | C | UGU, UGC | Trp | W | UGG |
| Gln | Q | CAA, CAG | Tyr | Y | UAU, UAC |
| Glu | E | GAA, GAG | Val | V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| Gly | G | GGU, GGC, GGA, GGG | Start | AUG, (GUG) | |
| His | H | CAU, CAC | Stop | UAG (Amber) | |
| Ile | I | AUU, AUC, AUA | Stop | UGA (Opal) | |
| Leu | L | CUU, CUC, CUA, CUG, UUA, UUG | Stop | UAA (Ochre) | |
| Lys | K | AAA, AAG | Pyl | O | UAG |
| Met | M | AUG | Sec | U | UGA (+ SECIS) |
Jaký je šifrovací klíč neboli kód mezi čtyřmi nukleotidy v mRNA a 22 aminokyselinami v bílkovině? Ukázalo se, že tento tzv. genetický kód je třípísmenový, tj. pořadí tří nukleotidů – triplet kóduje vždy jedinou aminokyselinu. Ze čtyř různých nukleotidů v mRNA se tak může vytvořit 43 = 64 různých tripletů neboli kódových slov, kodonů (viz tabulku). To je naprosto dostatečný počet ke specifikaci každé z 22 aminokyselin a navíc i k vytvoření signálů, které určí, odkud má v mRNA translace začít (obvykle od kodonu AUG) a kde má skončit (tři signály stop – UAA, UAG a UGA). Představují jakousi tečku za větou, tj. v našem případě za syntetizovanou bílkovinou.
Přiřazení jednotlivých aminokyselin k jednotlivým kodonům, tj. rozšifrování genetického kódu, se experimentálně podařilo asi v polovině 60. let 20. století. Jak je vidět z tabulky, pouze dvě aminokyseliny, a to methionin a tryptofan, jsou kódovány jen jedním kodonem (AUG, resp. UGG). Pro zbytek aminokyselin platí, že jsou kódovány dvěma, třemi, čtyřmi nebo dokonce šesti kodony. Kodony pro stejnou aminokyselinu se označují jako synonyma a obvykle se liší ve třetím nukleotidu. Existence více kodonů pro jednu aminokyselinu znamená, že kód je degenerovaný. Na druhé straně je však jednoznačný, neboť každý kodon specifikuje vždy jen jednu jedinou aminokyselinu. Genetický kód je také skoro (viz dále) univerzální, neboť se používá pro translaci ve všech organismech. Tato skutečnost je jedním z nejpřesvědčivejších důkazů o společném předku všech živých organismů.
Kodony jdou v mRNA za sebou, bez mezer a bez překrývání v tzv. čtecím rámci. Ten se nastaví prvním – iniciačním – kodonem, což je nejčastěji AUG kódující methionin. Naprostá většina nově syntetizovaných bílkovinných řetezců tedy začíná touto aminokyselinou. Methionin se však velmi často – a to buď ješte před dokončením translace, anebo až po ní, už z hotové bílkoviny – odštěpuje. Informace v mRNA se tedy čte a překládá souvisle po úsecích dlouhých tři nukleotidy a jejich sled se nastaví prvním iniciačním kodonem[2].
Ne všechna kódová slova pro jednu aminokyselinu jsou využívána v organismu se stejnou frekvencí. Naopak, některá ze synonym jsou v genetické informaci skoro nevyužívána (anebo jen pro speciální proteiny), na rozdíl od tzv. bežných kodonů. Přitom četnost využívání jednotlivých kodonů je specifická už pro každý jednobuněčný organismus, jiný typický výběr platí pro obratlovce a jiný zase např. pro vyšší rostliny. Mluvíme o tzv. kodonovém dialektu.
