Codul genetic

În natură există 20 de aminoacizi disponibili pentru sinteza proteică, iar informația necesară acestei sinteze este stocată în macromoleculele ADN al căror limbaj este codat sub forma a 4 semne sau baze azotate. Bazele azotate din structura ADN sunt responsabile pentru determinarea ordinea în care cei 20 de aminoacizi se vor grupa într-o catenă proteică. Informația genetică codificată în cele 4 baze azotate ale ADN-ului (adenină- A, guanină- G, citozină- C și timină- T) trebuie tradusă pentru constituirea celor 20 de aminoacizi, responsabil cu această traducere fiind codul genetic.
Codul genetic este sistemul biochimic care stabilește relația dintre acizii nucleici și proteine. Fiecărui aminoacid din catena polipeptidică îi corespunde o succesiune de 3 nucleotide sau baze azotate, care se numește codon. În total sunt 64 de codoni, iar aceștia alcătuiesc codul genetic.

Structura codului genetic

Există 4 nucleotide sau 4 baze azotate, iar acestea combinate câte 3, deoarece 3 nucleotide alcătuiesc un codon, formează în total cei 64 de codoni ai codului genetic, sau 4 la puterea a treia combinații de baze azotate. Acest număr total de codoni a fost stabilit matematic, dacă o bază azotată ar codifica un aminoacid atunci ar exista 4 aminoacizi, dacă 2 baze ar codifica un aminoacid, atunci ar exista 4 la puterea a 2-a aminoacizi adică 16 aminoacizi. Însă, 3 baze azotate codifică un aminoacid prin urmare ar trebui să existe 4 la puterea a treia aminoacizi adică 64 de aminoacizi. Dar sunt doar 20, dar cu nenumărate posibilități de ordonare și aranjare în cadrul unei catene polipeptidice, rezultând un număr vast de combinații și de structuri proteice într-un organism.
Din cei 64 de codoni ai codului genetic, 61 codifică aminoacizi și se numesc codoni sens, iar ceilalți 3 nu sunt implicați în codificarea aminoacizilor, fiind numiți codoni nonsens, dar sunt importanți în citirea mesajului genetic purtat de ARNm. Ei marchează locul unde se oprește decodificarea informației genetice fiind numiți codoni STOP și notați UAA, UGA și UAG. Ei determină sfârșitul sintezei proteice.
Codonii AUG și GUG sunt codoni sens care codifică metionina, respectiv valina și au și semnificația de a da startul sintezei proteice, fiind numiți codoni START sau codoni de inițiere.
Dicționarul codului genetic este format din totalitatea codonilor care determină aminoacizii standard, împreună cu codonii start și stop, sau codonii de punctuație.
Codonii sinonimi sunt codonii care codifică același aminoacid. Ei diferă doar prin al treilea nucleotid. Fiecare aminoacid, cu excepția triptofanului și metioninei este codificat de cel puțin 3 codoni diferiți sau codoni sinonimi. Trei aminoacizi, arginina, leucina și serina sunt codificați de 6 codoni.
Cadrul de citire este secvența de ADN alcătuită dintr-o succesiune de codoni, fiind marcat de codonul start sau AUG și se află la începutul moleculei de ARNm care poartă informația genetică din ADN. Decodificarea ARNm-ului și citirea informației sintetizate în acesta se face de la un codon la altul de-a lungul moleculei în direcția 5’- 3’, până ce se ajunge la codonul stop care determină terminarea sintezei lanțului proteic.

Caracteristicile codului genetic

1. Este nesuprapus, adică doi codoni succesivi nu au nucleotide comune. Ca exemplu, secvența de nucleotide 5’- ATG-ACA-GGA-TTA- 3’ o citim în direcția 5’-3’ succesiv, în grupuri de câte 3 baze azotate.
2. Este fără virgule, întrucât nu există semne de punctuație sau întreruperi reprezentate de nucleotide fără sens între doi codoni succesivi, iar citirea informației se face continuu și cursiv fără opriri. De exemplu, un cod normal ar putea fi reprezentat așa: 5’-ATG-ACA-GGA-TTA-3’, iar un cod cu virgule ar arăta așa: 5’-ATG-G-ACA-T-T-GGA-C-TTA-3’ existând opriri reprezentate de nucleotide ce barează citirea continuă a informației
3. Este degenerat. Există mai mulți codoni decât aminoacizi, iar același aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni. De exemplu serina poate fi codificată de 6 codoni sinonimi care diferă între ei printr-o singură nucleotidă. Codonii sinonimi mai sunt numiți și codoni codegenerați. Degenerarea codului genetic nu este o eroare, ci astfel se stabilesc posibilități variate de combinare a nucleotidelor pentru a determina variația aranjării diferiților aminoacizi în cadrul unei catene polipeptidice și diversitatea structurilor proteice ale unui organism. De asemenea, degenerarea este un mecanism de combatere a erorilor de sinteză proteică.
4. Este universal, prin urmare aceeași codoni codifică același aminoacid în toată lumea vie, atât la procariote cât și la eucariote. Diferită însă este succesiunea codonilor în structura acizilor nucleici ai fiecărei specii, succesiune care conferă unicitatea speciei respective
5. Are un grad redus de ambiguitate, întrucât un codon al ARNm poate determina poziția unui singur aminoacid pe o catenă polipeptidică.
Codul genetic poate fi modificat însă prin mutație, un exemplu fiind faptul că au fost raportate excepții de la universalitatea sa când s-a descoperit că UGA, codonul stop al genomului nuclear codifică aminoacidul triptofan în mitocondrii. Un alt exemplu este codonul AUA care codifică izoleucina în genomul nuclear și metionina în genomul mitocondrial.

Sinteza proteică

Este procesul prin care informația genetică este decodificată și transformată în structuri biologice și anume structurile proteice care sau la baza alcătuirii unui nou organism. Ea are loc pe baza codului genetic și se realizează în două etape:
1. Transcripția sau copierea informației genetice din molecula de ADN în molecula de ARNm prin sinteza ARNm pe baza catenei matriță ADN
2. Translația sau sinteza proteinelor pe baza informației codate în ARNm sub forma codului genetic al speciei respective

Transcripția

ARN polimeraza este enzima care dă startul sintezei ARNm sau ARN mesager prin transcrierea sau traducerea mesajului genetic din molecula de ADN sau catena matriță, sub formă de ARNm. Transcripția are trei faze și anume:
- inițierea sau activarea enzimei ARN polimerază de către un factor specific și asocierea ei de promotor, secvența din ADN de la care se începe sinteza ARN
- elongarea (alungirea) sau creșterea catenei de ARNm alăturat catenei ADN matriță similar închiderii unui fermoar, datorită formării de punți fosfodiesterice în direcția 5’-3’ prin adăutarea unui ribonucleotid 5’ fosfat la capătul 3’- OH al nucleotidului precedent
- încheierea dată de codonul stop întâlnit ăn cadrul secvenței ADN care a fost transcrisă.
În acest proces se copiază informația genetică a ADN-ului unei singure gene situată pe cromozomi în nucleul celular și rezultă ARNm precursor care, sub acțiunea unor enzime care elimină secvențele non-informaționale sau intronii din molecula acestuia, se transformă în ARNm matur, alcătuit numai din secvențe informaționale sau exoni. El va ajunge la ribozomi prin difuziune.

Translația

George Emil Palade, românul care a descoperit ribozomii, a primit premiul Nobel în 1974. La nivelul acestor mici organite celulare se realizează procesul de translație sau de transformare a informației selectate din ADN prin sinteza ARNm în structuri proteice prin ansamblarea aminoacizilor dictată de secvența de codoni a codului genetic.
Primele nucleotide ale ARNm formează o secvență de inițiere care recunoaște locul în care se va face sinteza proteică. Secvența de inițiere atrage cele două subunități ale ribozomului și se prinde de ele. ARNm începe la eucariote și la om cu codonul AUG care codifică metionina, acesta fiind primul aminoacid al fiecărei molecule proteice sintetizate intraribozomal. Ea poate fi dată ulterior la o parte. În acest timp aminoacizii sunt pregătiți pentru sinteza proteică în citoplasmă, prin cuplarea lor cu ATP (adenozin trifosfat) care îi va activa deoarece este un purtător celular de energie prin legăturile macroergice care intră în structura sa. Aminoacidul care a fost activat prin cuplarea cu ATP se va lega de ARNt sau ARN de transfer care îl va transfera în ribozomi, la locul sintezei proteice. Fiecare codon are câte o moleculă de ARNt specifică care conține anticodonul corespunzător codonului din ARNm, prin anticodon realizându-se recunoașterea codonului specific ARNm. Translația începe de la codonul start, ARNt adăugând succesiv aminoacizi care sunt apoi adăugați lanțului polipeptidic sintetizat intraribozomal. Translația se termină la codonul stop.
Astfel procesul de translație poate fi sintetizat în trei faze: inițierea, elongarea și terminarea sintezei.
O moleculă de ARNm trece succesiv prin mai mulți ribozomi și rezultă astfel poliribozomi. Prin urmare se formează mai multe exemplare din catena polipeptidică respectivă. După ce au fost produse suficiente exemplare din acea catenă, sinteza este oprită și ARNm degradat iar cele două subunități ribozomale se despart. În momentul în care altă moleculă ARNm va începe sinteza unei noi catene polipeptidice ele se vor reuni.
Codul genetic și procesul de biosinteză proteică pot fi deteriorate prin mutații. Majoritatea mutațiilor care produc erori în codul genetic nu sunt de cauză cunoscută ele numindu-se mutații spontane. Unii din factorii despre care știm că afectează structura codului genetic sunt: infecțiile cu virusuri sau paraziți în perioada gravidității (ex. citomegalovirus, toxoplasma gondii) afectează materialul genetic fetal ducând la malformații congenitale; radiațiile ultraviolete și fumatul, dar și alimentele care au fost tratate cu pesticide.

Fără existența succesiunii de codoni care formează codul genetic prin aranjarea specifică a bazelor azotate și dispunerea ordonată a lor de-a lungul catenei de ARN mesager nu ar fi posibilă sinteza proteică și nici existența vieții, sinteza proteinelor fiind procesul fundamental al constituirii unei noi structuri vii, atât în regnul vegetal cât și în regnul animal. Nu caracterele fenotipice sunt cele transmise de la părinți la urmași, ci informația genetică necesară pentru determinarea lor. Sinteza proteinelor este unul din modurile prin care programul genetic este materializat în structuri biologice.