Πώς μπορούν πολλαπλά κωδικόνια να κωδικοποιήσουν το ίδιο αμινοξύ;
Η υπόθεση της ταλάντωσης εξηγεί ότι η δέσμευση μεταξύ της βάσης του 3ου κωδικονίου και της 1ης βάσης αντικωδονίου δεν ακολουθεί το κανονικό ζεύγος βάσεων Watson-Crick, επιτρέποντας σε πολλαπλά κωδικόνια να κωδικοποιούν ένα μόνο αμινοξύ.
Υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα που μπορούν να συνθέσουν μια πρωτεΐνη (22 αν μετρήσετε τα σπάνια αμινοξέα:σεληνοκυστεΐνη και πυρρολυσίνη). Κάθε αμινοξύ διαμορφώνεται με τη βοήθεια ριβοσωμάτων, mRNA και tRNA, τα οποία μαζί συνθέτουν τον μηχανισμό παραγωγής πρωτεϊνών. Τα αμινοξέα προστίθενται το ένα μετά το άλλο στο ριβόσωμα, όπως οι χάντρες σε ένα κολιέ. Το «κολιέ» που προκύπτει είναι μια πολυπεπτιδική αλυσίδα που στη συνέχεια διπλώνεται σε μια πρωτεΐνη.
Ο μηχανισμός μετάφρασης που σχηματίζει μια πρωτεΐνη στο ριβόσωμα (Photo Credit :Designua/Shutterstock)
Προτού ανακαλύψουμε πώς πολλά κωδικόνια μπορούν να κωδικοποιήσουν ένα μόνο αμινοξύ, ας μάθουμε λίγα περισσότερα για τους παίκτες που συμμετέχουν.
έκφραση γονιδίου. Τα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα συνθέτουν νέες πρωτεΐνες (Soleil Nordic)s" width="1000" height="657" srcset="https://www.scienceabc.com/wp-content/uploads/2020/09/DNA-transcription- and-translation-are-part-of-the-gene-expression.-Ribosomes-in-the-cytoplasm-synthesize-new-proteinsSoleil-Nordics-1.jpg 1000w, https://www.scienceabc.com/wp- content/uploads/2020/09/DNA-transscription-and-translation-are-part-of-the-gene-expression.-Ribosomes-in-the-cytoplasm-synthesize-new-proteinsSoleil-Nordics-1-300x197.jpg 300w" sizes="(max-width:1000px) 100vw, 1000px"> Το κεντρικό δόγμα:το mRNA μεταγράφεται από το DNA και αφήνει τον πυρήνα στο ριβόσωμα, όπου βοηθά στη μετάφραση, με αποτέλεσμα μια πρωτεΐνη. (Φωτογραφία :Soleil Nordic/Shutterstock)
mRNA:το σημείο εκκίνησης της μετάφρασης
Το αγγελιοφόρο RNA ή mRNA είναι ένα μονόκλωνο κομμάτι RNA. Συντίθεται κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεταγραφή, όπου οι πληροφορίες από το DNA αντιγράφονται ή μεταγράφονται σε έναν κλώνο mRNA. Η δίκλωνη έλικα DNA ανοίγει και παράγεται ένας κλώνος mRNA πανομοιότυπος με τον κωδικοποιητικό κλώνο 5' έως 3'. Σημειώστε ότι το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) περιέχει το νουκλεοτίδιο ουριδίνη (U) στη θέση της θυμίνης (Τ), η οποία είναι η μόνη διαφορά μεταξύ του mRNA και του κωδικοποιητικού (5' έως 3') κλώνου του DNA.
Η διαδικασία της μεταγραφής και της μετάφρασης (Προσφορά φωτογραφίας :Becky Boone/Wikimedia Commons)
Στη συνέχεια, το mRNA παίρνει το δρόμο του προς τον μηχανισμό παραγωγής πρωτεϊνών - τα ριβοσώματα. Τα ριβοσώματα διαβάζουν τις πληροφορίες στο mRNA για να δημιουργήσουν πρωτεΐνες. Αυτό ονομάζεται μετάφραση, όπως η μετάφραση εντολών για να φτιάξεις κάτι.
Οι πληροφορίες στο mRNA διαβάζονται τρία νουκλεοτίδια κάθε φορά σε τμήματα που ονομάζονται κωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο προσδιορίζει ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.
Κάθε κωδικόνιο που υπάρχει στο mRNA προσδιορίζει ένα κωδικόνιο (Πιστωτική φωτογραφία :Thomas Splettstoesser/Wikimedia Commons)
Για παράδειγμα, το κωδικόνιο AUG κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη (Met). Το AUG κωδικοποιεί επίσης από όπου ξεκινούν οι πληροφορίες πρωτεΐνης, που ονομάζεται κωδικόνιο έναρξης, το οποίο απαιτείται για την έναρξη της διαδικασίας μετάφρασης. Έτσι, η μεθειονίνη είναι πάντα το πρώτο αμινοξύ σε μια αλυσίδα αμινοξέων. Το αμινοξύ τρυπτοφάνη (Trp) υποδεικνύεται με το κωδικόνιο UGG.
Το κωδικόνιο έναρξης που εκκινεί τη διαδικασία της μετάφρασης (Φωτογραφία :gritsalak karalak/Shutterstock)
Τα κωδικόνια δεν κωδικοποιούν μόνο αμινοξέα. Επίσης κωδικοποιούν πότε πρέπει να τερματιστεί η διαδικασία μετάφρασης. Είναι συλλογικά γνωστά ως κωδικόνια λήξης και είναι UAG, UAA και UGA.
Ως εκ τούτου, ένα κωδικόνιο είναι σαν ένας κωδικός πρόσβασης τριών γραμμάτων που απαιτείται για τη λήψη ενός αμινοξέος και επισημαίνει πού βρίσκονται οι οδηγίες για την έναρξη και τη διακοπή της παραγωγής της πρωτεΐνης.
Τα κωδικόνια για κάθε αμινοξύ (Φωτογραφία :gstraub/Shutterstock)
tRNA:το σημείο συναρμολόγησης της μετάφρασης
Το μεταφορικό RNA ή tRNA είναι επίσης μονόκλωνο, αλλά είναι διπλωμένο, σε αντίθεση με το ευθύ mRNA. Χρησιμεύει ως φυσικός σύνδεσμος μεταξύ του mRNA και των αμινοξέων ερμηνεύοντας το mRNA και μεταφέροντας τα σωστά αμινοξέα στη θέση τους κατά την παραγωγή της πρωτεΐνης. Εάν ο μηχανισμός μετάφρασης ήταν εργοστάσιο, το tRNA θα ήταν οι εργάτες του εργοστασίου που ερμηνεύουν το εγχειρίδιο οδηγιών (το mRNA) για να βάλουν προσεκτικά τα προϊόντα με την καθορισμένη σειρά.
Το tRNA είναι σαν εργάτες εργοστασίου που συναρμολογούν τα αμινοξέα για να σχηματίσουν μια πολυπεπτιδική αλυσίδα (Πιστωτική φωτογραφία :Lenam14/Wikimedia Commons)
Το tRNA είναι δομημένο με τέτοιο τρόπο ώστε να έχει έναν βρόχο αντικωδικονίου στο ένα άκρο και έναν βραχίονα/στέλεχος δέκτη στο αντίθετο άκρο.
Η πρωτογενής, δευτερογενής και τριτογενής δομή του tRNA (Photo Credit :CNX OpenStax/Wikimedia Commons)
Όπως υποδηλώνει το όνομα, ο βρόχος αντικωδικονίου είναι συμπληρωματικός και αντιπαράλληλος (3' έως 5') με τα κωδικόνια mRNA. Δηλαδή, το tRNA αποτελείται από τα 3 νουκλεοτίδια που συνδέονται με αυτά που υπάρχουν στο mRNA. Έτσι, η γουανίνη (G) και η κυτοσίνη (C) συνδέονται μεταξύ τους και η αδενίνη (Α) και η ουριδίνη (U) συνδέονται μεταξύ τους.
Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη το κωδικόνιο για τη μεθειονίνη, AUG, θα είχε ένα tRNA μεθειονίνης με ένα αντικωδικόνιο UAG.
Αυτός ο τύπος σύζευξης είναι γνωστός ως σύζευξη βάσεων Watson-Crick. Το ζευγάρωμα είναι σαν την έλξη μεταξύ πολύ συγκεκριμένων μαγνητών. Τα αντικωδικόνια στο tRNA διασφαλίζουν ότι ευθυγραμμίζεται με το σωστό κωδικόνιο στο mRNA. Επιπλέον, καθώς τα κωδικόνια διαβάζονται στην κατεύθυνση 5' προς 3', τα αντικωδικόνια που υπάρχουν στο tRNA τοποθετούνται στην κατεύθυνση 3' προς 5'.
Το κωδικόνιο, το αντικωδικόνιο και το tRNA για το αμινοξύ αλανίνη (Πιστωτική φωτογραφία :Yikrazuul/Wikimedia Commons)
Αυτό σημαίνει ότι η 1η βάση κωδικονίου συνδέεται με την 3η βάση αντικωδονίου και ούτω καθεξής. Σημειώστε ότι κάθε αμινοξύ έχει το δικό του tRNA, το οποίο το τοποθετεί σωστά στην πολυπεπτιδική αλυσίδα λόγω του ζεύγους βάσεων μεταξύ του κωδικονίου και του αντικωδικονίου.
Το κωδικόνιο για το γλουταμινικό οξύ δεσμεύεται στο αντικωδικόνιο του tRNA, το οποίο έχει γλουταμικό οξύ στον βραχίονα δέκτη. (Φωτογραφία:M. PATHAWEE/Shutterstock)
Ωστόσο, όπως πολλά πράγματα στη βιολογία, αυτό είναι επίσης λίγο πιο περίπλοκο. Κάθε αμινοξύ μπορεί να προσδιοριστεί με περισσότερα από ένα κωδικόνια. Επιπλέον, οι κανόνες ζευγοποίησης βάσεων μεταξύ του κωδικονίου και του αντικωδικονίου δεν είναι εξίσου δεσμευτικοί για όλες τις βάσεις. Θα μάθουμε περισσότερα για αυτό το περίεργο φαινόμενο στη συνέχεια!
Υπόθεση Wobble:Γιατί 20 αμινοξέα έχουν 64 κωδικόνια;
Όπως γνωρίζουμε, το DNA αποτελείται από 4 νουκλεοτιδικές βάσεις (A, G, T, C). Αυτά τα γράμματα (βάσεις) διαβάζονται τρία τη φορά, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχουν 64 (4 x 4 x 4) πιθανοί συνδυασμοί αυτών των τριδύμων ή κωδικονίων.
Από τα 64 κωδικόνια, τα 3 είναι κωδικόνια λήξης, τα οποία αναφέραμε προηγουμένως. Αυτά τα τρία κωδικόνια λήξης δεν κωδικοποιούν τα αμινοξέα και απλώς τερματίζουν τη διαδικασία μετάφρασης. Επομένως, μας μένουν 61 κωδικόνια για μόλις 20 αμινοξέα.
Η μόνη λογική επιλογή είναι ότι ένα μόνο αμινοξύ μπορεί να κωδικοποιηθεί από πολλαπλά κωδικόνια. Αλλά, θεωρητικά, 61 διαφορετικά tRNA θα απαιτούνταν για κάθε διαφορετικό κωδικόνιο, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Λιγότερα από 50 κωδικόνια έχουν αναγνωριστεί στη φύση.
Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει κάποιο περιθώριο μεταξύ κωδικονίων και αντικωδικονίων που ταιριάζουν. Σκεφτείτε το αμινοξύ βαλίνη, το οποίο κωδικοποιείται από 4 κωδικόνια:GUU, GUC, GUA, GUG. Παρατηρήστε ότι μόνο η τρίτη βάση αλλάζει, ενώ οι δύο πρώτες είναι ίδιες.
Ζεύγος βάσεων Watson-Crick και σύζευξη βάσεων ταλάντωσης για Valine
Αυτή η διακύμανση που παρατηρήθηκε μόνο στην 3η βάση του κωδικονίου οδήγησε στην «Υπόθεση ταλάντωσης», που προτάθηκε από τον Φράνσις Κρικ (από τους ανακαλυπτές της δομής του DNA) το 1966.
Η υπόθεση Wobble εξήγησε αυτή τη διακύμανση αποκαλύπτοντας ότι οι κανόνες του ζεύγους βάσεων Watson-Crick δεν τηρήθηκαν στην τελευταία θέση του κωδικονίου. Δηλαδή, ο δεσμός μεταξύ του 3ου γράμματος (νουκλεοτιδική βάση) και του 1ου γράμματος του αντικωδικονίου μπορεί να εμφανίζει ασυνήθιστο δεσμό (non A-T/ non G-C). Ως εκ τούτου, επιτρεπόταν να «ταλαντεύεται».
Αυτό σήμαινε ότι ενώ η 1η και η 2η βάση των κωδικονίων τηρούσαν αυστηρά τους κανόνες του ζευγαρώματος βάσεων Watson-Crick με δέσμευση στην 3η και 2η βάση του αντικωδικονίου, αντίστοιχα, το ζεύγος βάσεων μη Watson-Crick επιτρεπόταν μεταξύ της 3ης βάσης του κωδικονίου και 1η βάση του αντικωδικονίου. Ως εκ τούτου, ορισμένα tRNA μπορούν να αναγνωρίσουν πολλά διαφορετικά κωδικόνια. Εξηγεί επίσης το μοτίβο του πλεονασμού στον γενετικό κώδικα (πολλά κωδικόνια για ένα μόνο αμινοξύ).
Οι κανόνες της υπόθεσης Wobble είναι οι εξής:
Κανόνες της υπόθεσης ταλάντωσης
- Οι δύο πρώτες βάσεις του κωδικονίου και οι δύο τελευταίες βάσεις του αντικωδικονίου υφίστανται κανονικό ζεύγος βάσεων Watson-Crick. Δηλαδή, σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου μόνο μεταξύ αδενίνης (A) και ουριδίνης (U), γουανίνης (G) και κυτοσίνης (C).
- Στην υπόλοιπη θέση ισχύουν λιγότερο αυστηροί κανόνες ζευγοποίησης βάσεων και μπορεί να πραγματοποιηθεί σύζευξη βάσεων εκτός Watson-Crick. Οι βάσεις που υφίστανται τέτοιο ζευγάρωμα αναφέρονται επίσης ως ζεύγη βάσεων ταλάντωσης. Αυτό επιτρέπει στο αντικωδικόνιο μιας μοναδικής μορφής (ειδικό αμινοξέος) του tRNA να ζευγαρώσει με περισσότερα από ένα κωδικόνια στο mRNA.
- Όταν η ουριδίνη (U) υπάρχει στην υπόλοιπη θέση (1η βάση του αντικωδικονίου), μπορεί να αναγνωρίσει μόνο την αδενίνη (Α) ή τη γουανίνη (G).
- Όταν η γουανίνη (G) υπάρχει στην υπόλοιπη θέση (1η βάση του αντικωδικονίου), μπορεί να αναγνωρίσει μόνο την ουριδίνη (U) ή την κυτοσίνη (C).
- Εάν η τροποποιημένη βάση ινοσίνης (I) υπάρχει στην υπόλοιπη θέση (1η βάση του αντικωδικονίου), μπορεί να αναγνωρίσει την ουριδίνη (U), την κυτοσίνη (C) ή την αδενίνη (A).
Η ινοσίνη μπορεί να συνδεθεί με A, U ή C
Ο λόγος για το ζευγάρωμα της βάσης ταλάντωσης είναι μια ολίσθηση από την πλευρά του ριβοσώματος. Το ριβόσωμα διαθέτει μηχανισμούς για να ελέγχει εάν οι βάσεις του 1ου και 2ου κωδικονίου είναι συμπληρωματικές με τις βάσεις του 3ου και 2ου αντικωδικονίου, αντίστοιχα. Ωστόσο, το ριβόσωμα δεν έχει μηχανισμό για να ελέγξει εάν η 3η βάση κωδικονίου στο mRNA και η 1η βάση αντικωδονίου στο tRNA ταιριάζουν.
Η σημασία της υπόθεσης ταλάντωσης
Γλιστρήσει ή όχι, λόγω της ταλαντευόμενης βάσης, υπάρχει μικρότερη πιθανότητα λάθους κατά τη μετάφραση. Για παράδειγμα, εάν το κωδικόνιο λευκίνης (Leu) CUU είχε παρερμηνευθεί ως CUA, CUG ή CUC κατά τη μεταγραφή, το κωδικόνιο θα εξακολουθούσε να μεταφράζεται ως λευκίνη (Leu) κατά την πρωτεϊνοσύνθεση.
Επιπλέον, η πρωτεϊνική σύνθεση προστατεύεται επίσης από μεταλλάξεις μιας μόνο βάσης. Έτσι, εάν η 3η βάση στο κωδικόνιο βαλίνης GUU μεταλλαχθεί και αλλάξει σε GUC, GUA ή GUG, θα εξακολουθεί να μεταφράζεται σωστά.
Η ταλάντευση και ο εκφυλισμός του γενετικού κώδικα μειώνουν επίσης τον αριθμό των tRNA που απαιτούνται από ένα κύτταρο. Για παράδειγμα, για τα τέσσερα διαφορετικά κωδικόνια της γλυκίνης, υπάρχουν μόνο 3 tRNA στο E.coli .
Έτσι, ενώ είναι αλήθεια ότι πολλά κωδικόνια μπορούν να κωδικοποιήσουν ένα μόνο αμινοξύ, είναι η «ταλάντωση» που παρατηρείται μεταξύ της βάσης του 3ου κωδικονίου και της 1ης βάσης αντικωδονίου που καθιστά δυνατή αυτή την ευελιξία.
