Ο γενετικός κώδικας και οι ασκήσεις αλληλουχιών
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 2 · Χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα · Αντιστοίχιση κωδικονίων–αμινοξέων
Γιατί ακριβώς τρία γράμματα;
Το mRNA έχει 4 διαφορετικά νουκλεοτίδια, και πρέπει να «γράψει» 20 αμινοξέα. Με «λέξεις» του ενός γράμματος έχεις μόνο 4. Με λέξεις των δύο, — ακόμη λίγες. Με λέξεις των τριών, : αρκετές, και μάλιστα περισσεύουν. Γι' αυτό ο κώδικας είναι κώδικας τριπλέτας — και γι' αυτό είναι εκφυλισμένος.
Ο γενετικός κώδικας
Γενετικός κώδικας είναι ο τρόπος με τον οποίο η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του mRNA αντιστοιχίζεται στην αλληλουχία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης. Κάθε τριάδα διαδοχικών νουκλεοτιδίων του mRNA αποτελεί ένα κωδικόνιο. Με 4 διαφορετικά νουκλεοτίδια σχηματίζονται κωδικόνια.
Τα χαρακτηριστικά του
- Είναι κώδικας τριπλέτας: κάθε αμινοξύ κωδικοποιείται από μια τριάδα νουκλεοτιδίων (κωδικόνιο).
- Είναι συνεχής: το mRNA διαβάζεται συνεχώς, από κωδικόνιο σε κωδικόνιο, χωρίς να παραλείπονται νουκλεοτίδια.
- Είναι μη επικαλυπτόμενος: κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδικόνιο.
- Είναι σχεδόν καθολικός: ισχύει σε σχεδόν όλους τους οργανισμούς — γι' αυτό ένα ανθρώπινο γονίδιο μπορεί να εκφραστεί σε βακτήριο.
- Είναι εκφυλισμένος: τα περισσότερα αμινοξέα κωδικοποιούνται από περισσότερα από ένα κωδικόνια (61 κωδικόνια για 20 αμινοξέα).
- Υπάρχει κωδικόνιο έναρξης, το AUG, που κωδικοποιεί τη μεθειονίνη, και τρία κωδικόνια λήξης, τα UAA, UAG, UGA, που δεν κωδικοποιούν αμινοξύ.
Ποιο χαρακτηριστικό του γενετικού κώδικα εξηγεί γιατί μια μετάλλαξη μπορεί να μην αλλάξει το αμινοξύ;
Το πρώτο κωδικόνιο «διαβάστηκε» το 1961. Οι Marshall Nirenberg και Heinrich Matthaei έβαλαν σε σύστημα μετάφρασης ένα τεχνητό mRNA που είχε μόνο U (…UUUUUU…) και πήραν ένα πεπτίδιο που είχε μόνο φαινυλαλανίνη. Έτσι έμαθαν ότι το UUU κωδικοποιεί τη φαινυλαλανίνη.
Κωδικόνια που θα χρειαστείς στα παραδείγματα
Στις εξετάσεις δίνεται πάντα πίνακας του γενετικού κώδικα. Ενδεικτικά:
- AUG: μεθειονίνη (Met) — έναρξη
- UUU: φαινυλαλανίνη (Phe) · GGC: γλυκίνη (Gly) · AAA: λυσίνη (Lys)
- UGG: τρυπτοφάνη (Trp) · GAA, GAG: γλουταμινικό οξύ (Glu) · GUG: βαλίνη (Val)
- CCU: προλίνη (Pro) · AAG: λυσίνη (Lys) · GCU: αλανίνη (Ala)
- UAA, UAG, UGA: λήξη
Τα τρία κωδικόνια λήξης ξεκινούν όλα με U. Μια δημοφιλής φράση στα αγγλικά: U Are Away (UAA), U Are Gone (UAG), U Go Away (UGA) — «φεύγεις», δηλαδή η μετάφραση σταματά.
Μέθοδος: εύρεση κωδικής αλυσίδας και πεπτιδίου (Θέμα Γ/Δ)
- Σε κάθε αλυσίδα του δίκλωνου DNA γράψε τον προσανατολισμό 5΄ → 3΄.
- Ψάξε σε κάθε αλυσίδα, διαβάζοντας 5΄ → 3΄, την τριάδα ATG (αντιστοιχεί στο AUG).
- Από το ATG προχώρησε ανά τριάδα (ίδιο πλαίσιο ανάγνωσης) μέχρι να βρεις TAA, TAG ή TGA.
- Η αλυσίδα που περιέχει ATG και κωδικόνιο λήξης στο ίδιο πλαίσιο είναι η κωδική· η άλλη είναι η μη κωδική (καλούπι).
- Γράψε το mRNA (κωδική με U), μετάφρασε με τον πίνακα, σταμάτα στο κωδικόνιο λήξης (δεν αντιστοιχεί σε αμινοξύ).
- Αιτιολόγησε με τους όρους: κωδικόνιο έναρξης, κωδικόνιο λήξης, κώδικας τριπλέτας, συνεχής, μη επικαλυπτόμενος, αντιπαράλληλες αλυσίδες, 5΄ → 3΄.
Παράδειγμα 1: Δίνεται το mRNA 5΄-GCAUGUUUGGCAAAUGGUAAGC-3΄. Ποιο πεπτίδιο κωδικοποιεί;
Λύση: Βρίσκουμε το πρώτο AUG από το 5΄ άκρο: GC AUG UUU GGC AAA UGG UAA GC.
Μετάφραση: AUG (Met) – UUU (Phe) – GGC (Gly) – AAA (Lys) – UGG (Trp) – UAA (λήξη).
Πεπτίδιο: Met–Phe–Gly–Lys–Trp, 5 αμινοξέα. Τα νουκλεοτίδια GC στο 5΄ άκρο και GC στο 3΄ άκρο ανήκουν στις αμετάφραστες περιοχές.
Παράδειγμα 2: Πόσα νουκλεοτίδια χρειάζονται στο mRNA (από το κωδικόνιο έναρξης έως και το κωδικόνιο λήξης) για ένα πεπτίδιο 150 αμινοξέων;
Λύση: 150 αμινοξέα → 150 κωδικόνια, συν 1 κωδικόνιο λήξης = 151 κωδικόνια → νουκλεοτίδια. (Αν η μεθειονίνη αφαιρεθεί μετά τη μετάφραση, η ώριμη πρωτεΐνη θα έχει 149 αμινοξέα, αλλά τα νουκλεοτίδια δεν αλλάζουν.)
Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Δίνεται τμήμα DNA που κωδικοποιεί το αρχικό τμήμα ενός πεπτιδίου:
Αλυσίδα Ι: 5΄-GCATGTTTGGCAAATGGTAAGC-3΄ Αλυσίδα ΙΙ: 3΄-CGTACAAACCGTTTACCATTCG-5΄
(α) Ποια είναι η κωδική αλυσίδα; Αιτιολογήστε. (β) Γράψτε το mRNA και το πεπτίδιο. (γ) Ποιο είναι το αντικωδικόνιο του tRNA που μεταφέρει το τρίτο αμινοξύ;
Λύση:
(α) Διαβάζοντας την αλυσίδα Ι 5΄ → 3΄ βρίσκουμε ATG (θέσεις 3–5) και, στο ίδιο πλαίσιο ανάγνωσης, τις τριάδες TTT GGC AAA TGG και το TAA (κωδικόνιο λήξης). Η αλυσίδα ΙΙ, γραμμένη 5΄ → 3΄, είναι 5΄-GCTTACCATTTGCCAAACATGC-3΄: περιέχει ATG μόνο στο 3΄ άκρο της, χωρίς κωδικόνιο λήξης μετά. Άρα κωδική είναι η αλυσίδα Ι, αφού το mRNA έχει την αλληλουχία της κωδικής (με U) και πρέπει να περιέχει AUG και κωδικόνιο λήξης στο ίδιο πλαίσιο, λόγω του ότι ο κώδικας είναι τριπλέτας, συνεχής και μη επικαλυπτόμενος.
(β) mRNA: 5΄-GCAUGUUUGGCAAAUGGUAAGC-3΄. Πεπτίδιο: Met–Phe–Gly–Lys–Trp.
(γ) Τρίτο κωδικόνιο: 5΄-GGC-3΄ (Gly). Το αντικωδικόνιο είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο: 3΄-CCG-5΄, δηλαδή 5΄-GCC-3΄.
Πόσα αμινοξέα έχει το πεπτίδιο που κωδικοποιεί το mRNA 5΄-AUGGCUAAGUGAGC-3΄;
Ένα ανθρώπινο γονίδιο εκφράζεται σωστά σε βακτήριο (ως cDNA). Ποιο χαρακτηριστικό του κώδικα το επιτρέπει;
Το παρακάτω τμήμα DNA κωδικοποιεί ένα ολόκληρο πεπτίδιο:
Αλυσίδα Ι: 5΄-ATGTTACCATTCAGGTTTCATA-3΄ Αλυσίδα ΙΙ: 3΄-TACAATGGTAAGTCCAAAGTAT-5΄
(α) Ποια είναι η κωδική αλυσίδα; Προσοχή: η αλυσίδα Ι αρχίζει με ATG. (β) Γράψε το mRNA και το πεπτίδιο. (γ) Προς ποιο άκρο του τμήματος, όπως είναι γραμμένο, βρίσκεται ο υποκινητής;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Η αλυσίδα Ι έχει ATG στην αρχή, αλλά στο ίδιο πλαίσιο ανάγνωσης ακολουθούν TTA CCA TTC AGG TTT CAT — κανένα κωδικόνιο λήξης. Αφού το τμήμα κωδικοποιεί ολόκληρο πεπτίδιο, η Ι αποκλείεται. Η αλυσίδα ΙΙ, διαβασμένη 5΄ → 3΄, είναι 5΄-TATGAAACCTGAATGGTAACAT-3΄: έχει ATG και, στο ίδιο πλαίσιο, AAA CCT GAA TGG και TAA. Άρα κωδική είναι η ΙΙ. Το ATG στην αρχή της Ι είναι δόλωμα.
(β) mRNA (ίδιο με την κωδική, U αντί T): 5΄-UAUGAAACCUGAAUGGUAACAU-3΄. Μετάφραση από το πρώτο AUG: AUG (Met) – AAA (Lys) – CCU (Pro) – GAA (Glu) – UGG (Trp) – UAA (λήξη). Πεπτίδιο: Met–Lys–Pro–Glu–Trp.
(γ) Η RNA πολυμεράση συνθέτει το mRNA 5΄ → 3΄, άρα ξεκινά από το σημείο που αντιστοιχεί στο 5΄ άκρο της κωδικής αλυσίδας. Το 5΄ άκρο της ΙΙ είναι στα δεξιά του τμήματος όπως είναι γραμμένο, άρα εκεί (πριν από το τμήμα) βρίσκεται ο υποκινητής· η μεταγραφή προχωρά από δεξιά προς τα αριστερά, με καλούπι τη μη κωδική αλυσίδα Ι.
- Αναζήτηση ATG σε αλυσίδα διαβασμένη 3΄ → 5΄. Διαβάζουμε πάντα 5΄ → 3΄.
- Αλλαγή πλαισίου ανάγνωσης μετά το ATG — το κωδικόνιο λήξης πρέπει να είναι στο ίδιο πλαίσιο.
- Μέτρηση του κωδικονίου λήξης ως αμινοξύ.
- Αντικωδικόνιο γραμμένο με λάθος προσανατολισμό: είναι αντιπαράλληλο προς το κωδικόνιο.
- Κωδικόνιο: τριάδα νουκλεοτιδίων του mRNA· 64 κωδικόνια, 61 για αμινοξέα, 3 λήξης (UAA, UAG, UGA).
- Κώδικας: τριπλέτας, συνεχής, μη επικαλυπτόμενος, σχεδόν καθολικός, εκφυλισμένος.
- Κωδικόνιο έναρξης AUG → μεθειονίνη.
- Κωδική αλυσίδα: περιέχει ATG … κωδικόνιο λήξης στο ίδιο πλαίσιο, διαβασμένη 5΄ → 3΄.
- Αμινοξέα = κωδικόνια από το AUG μέχρι πριν το κωδικόνιο λήξης.