Aminosäuren sind die Hauptbausteine von Proteinen, die eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl von biologischen Prozessen spielen. Die codierende DNA-Sequenz bestimmt die Sequenz von Aminosäuren im Protein. Es ist jedoch interessant festzustellen, dass die gleiche Aminosäure mehrere verschiedene Drillinge kodieren kann, die aus drei Nukleotiden bestehen.
Der Mechanismus, um eine einzelne Aminosäure durch mehrere Triplets zu codieren, hängt damit zusammen, dass die DNA mehrere Stopp-Codone aufweist, die auf das Ende der Proteinsynthese hinweisen. Das Vorhandensein mehrerer Stop-Codons ermöglicht es, die Möglichkeit einer Proteinsynthese nach Erreichen eines dieser Codons auszuschließen. Auf diese Weise wird das Protein bis zum ersten Stop-Codon codiert, und nur dieses Fragment wird in das Protein übertragen.
Ein weiterer Mechanismus, der das Codieren einer einzelnen Aminosäure durch mehrere Drillinge erleichtert, besteht darin, dass das dritte Positionskodon in eine Wobble-Position zerfällt. Dies bedeutet, dass die Nukleotide A und G an der dritten Position des Codons austauschbar sein können und die Aminosäuresequenz in der DNA-Codierungskette nicht beeinflussen.
Die funktionelle Bedeutung eines solchen Mechanismus besteht darin, die Genauigkeit der Proteinsynthese sicherzustellen und das Auftreten von Mutationen zu verhindern. Wenn zum Beispiel eines der Triplets, das für eine bestimmte Aminosäure kodiert, mutiert, kann das andere Triplet die Möglichkeit behalten, dieselbe Aminosäure zu kodieren, wodurch die biologische Funktion des Proteins erhalten bleibt.
Warum kodieren Aminosäuren für mehrere Drillinge
Im genetischen Code, der die Abfolge von Aminosäuren in Proteinen bestimmt, wird jede Aminosäure normalerweise mit mehreren Nukleotid-Triplets kodiert. Dieses Phänomen wird als genetische Codedegeneration bezeichnet und ist für die Wirksamkeit des Proteinsyntheseprozesses und die Stabilität des Genoms unerlässlich.
Ein Grund für dieses Phänomen ist das Vorhandensein von "unregelmäßigen" Drillingen im genetischen Code. Zum Beispiel können Codone, die eine Kombination von Nukleotiden "U" oder "G" an der dritten Position enthalten, verschiedene Aminosäuren kodieren. Dies liegt an den Eigenschaften der Codon-Lesematrix, bei der ein Triplet mehreren verschiedenen tRNA entspricht, die Anticodone haben, die verschiedenen Nukleotidsequenzen auf der mRNA entsprechen.
Dieser "übermäßige" genetische Code ermöglicht es Organismen, sich an die Umgebungsvariabilität anzupassen und den Auswirkungen von Mutationen zu widerstehen. Zum Beispiel kann der Ersatz eines Nukleotids in einem proteinkodierenden Gen nicht zum Ersatz einer Aminosäure führen, sondern zu einer "stillen" Mutation führen, die die Funktion des Proteins nicht beeinträchtigt. Diese Eigenschaft des genetischen Codes gewährleistet die Stabilität des Proteinsyntheseprozesses und schützt Organismen teilweise vor den negativen Auswirkungen von Mutationen.
| Aminosäure | Tripletts |
|---|---|
| Phenylalanin | UUU, UUC |
| Leuzin | CUU, CUC, CUA, CUG |
| Isoleuzin | AUU, AUC, AUA |
| Methionin | AUG |
| Valin | GUU, GUC, GUA, GUG |
Die Tabelle enthält Beispiele für Aminosäuren und die entsprechenden Drillinge. Wie Sie sehen können, kann eine einzelne Aminosäure mit mehreren Tripletten codiert werden, wobei für einige Aminosäuren eine zusätzliche Übereinstimmung mit dem AUG-Starter-Triplet besteht.
Mehrfachcodierungsmechanismen
Erstens hat der genetische Code Redundanz, was bedeutet, dass verschiedene Drillinge die gleiche Aminosäure kodieren können. Dies liegt an der Anwesenheit von ungenutzten Codonen, die ihre jeweiligen Aminosäuren nicht haben. Zum Beispiel, obwohl das UGA-Codon ein Stop-Codon ist, verwenden einige Organismen es, um Threonin zu codieren. Daher können UGG- und UGA-Drillinge Threonin codieren.
Zweitens kann die mehrfache Codierung mit der Verwendung alternativer Startcodons zusammenhängen. In einigen Fällen, in denen das Startcodon vom Ribosom nicht erkannt wird, kann ein alternatives Codon verwendet werden, um die Proteinsynthese auszulösen. Dies ermöglicht die Verwendung verschiedener Drillinge, um die gleiche Aminosäure zu kodieren.
Außerdem können mehrere Codierungsmechanismen mit der Verwendung von Zwischencodons verbunden sein. Einige Codone können nicht nur Aminosäuren codieren, sondern auch als Signale für das Ribosom dienen, um die Übertragung zu stoppen. Solche Codone können jedoch auch verwendet werden, um Aminosäuren unter bestimmten Bedingungen zu codieren.
Und schließlich kann die Mehrfachkodierung auch mit der Evolution des genetischen Codes zusammenhängen. Drillinge, die bisher keine Aminosäuren kodiert haben, können neue Funktionen erwerben und beginnen, bestimmte Aminosäuren zu kodieren. Dies ist das Ergebnis von Mutationen und Selektion, die im Laufe der Evolution auftreten.
| Aminosäure | Triplett 1 | Triplett 2 | Triplett 3 |
|---|---|---|---|
| Threonin | UGG | UGA | - |
| Alanin | GCU | GCC | GCA |
| Glyzin | GGU | GGC | GGA |
Vorteile der Drillingsvielfalt
Resistenz gegen Mutationen: Aufgrund der Vielfalt der Drillinge kann der genetische Code gegen Mutationen resistent sein, die aus Fehlern bei der RNA- oder DNA-Synthese resultieren können. Wenn sich ein oder zwei Nukleotide im Triplet ändern, ist es immer noch möglich, die kodierte Aminosäure korrekt zu lesen. Die Wahrscheinlichkeit von Mutationen nimmt ab, da einige Veränderungen der Nukleotide in Drillingen tolerant sein können und nicht zu einer Änderung der Proteinfunktion führen.
Flexibilität bei intrazellulären Prozessen: Die Vielfalt der Drillinge ermöglicht es Zellen, die Genexpression effektiv zu regulieren und sich an sich ändernde Bedingungen anzupassen. Zellen können je nach Kontext verschiedene Drillinge verwenden, um die gleiche Aminosäure zu kodieren. Zum Beispiel können Zellen verschiedene Drillinge unter verschiedenen Umgebungsbedingungen oder in verschiedenen Stadien der Körperentwicklung verwenden. Dies ermöglicht es den Zellen, schnell auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren und die Synthese von essentiellen Proteinen genau zu steuern.
Daher spielt die Vielfalt der Drillinge, die für eine einzelne Aminosäure kodieren, eine wichtige Rolle, um sicherzustellen, dass der genetische Code effektiv funktioniert. Es trägt zur Beständigkeit der genetischen Information gegen Mutationen bei und bietet die Flexibilität intrazellulärer Prozesse, was eine Voraussetzung für das normale Funktionieren des Körpers ist.
