הקוד הגנטי, המתבטא בקודונים, הוא מערכת לקידוד מידע על מבנה החלבונים, הטבוע בכל היצורים החיים על פני כדור הארץ. הפענוח שלו לקח עשור, אבל את העובדה שהוא קיים, המדע הבין כמעט מאה שנה. אוניברסליות, ספציפיות, חד-כיווניות, ובעיקר ניוון הקוד הגנטי הם בעלי חשיבות ביולוגית רבה.
היסטוריית גילוי
הבעיה של קידוד מידע גנטי תמיד הייתה בעיה מרכזית בביולוגיה. המדע נע לאט למדי לעבר מבנה המטריצה של הקוד הגנטי. מאז גילוי המבנה הסליל הכפול של ה-DNA על ידי ג'יי ווטסון ו-פ' קריק ב-1953, החל שלב הפענוח של עצם המבנה של הקוד, מה שעורר אמונה בגדולתו של הטבע. המבנה הליניארי של חלבונים ואותו מבנה של DNA רמזו על נוכחות של קוד גנטי כהתאמה של שני טקסטים, אך כתובים באמצעות אלפבית שונה. ואםהאלפבית של החלבונים היה ידוע, ואז סימני ה-DNA הפכו לנושא מחקר של ביולוגים, פיזיקאים ומתמטיקאים.
אין הגיון לתאר את כל השלבים בפתרון החידה הזו. ניסוי ישיר, שהוכיח ואישר כי קיימת התאמה ברורה ועקבית בין קודוני DNA וחומצות אמינו חלבוניות, בוצע בשנת 1964 על ידי סי ינובסקי וש. ברנר. ואז - תקופת הפענוח של הקוד הגנטי במבחנה (in vitro) תוך שימוש בטכניקות של סינתזת חלבונים במבנים נטולי תאים.
קוד ה-E. coli שפוענח במלואו התפרסם ב-1966 בסימפוזיון של ביולוגים בנמל קולד ספרינג (ארה ב). אז התגלתה היתירות (התנוונות) של הקוד הגנטי. מה זה אומר הוסבר בפשטות.
הפענוח נמשך
השגת נתונים על פענוח הקוד התורשתי הפכה לאחד האירועים המשמעותיים ביותר של המאה הקודמת. כיום המדע ממשיך לחקור לעומק את המנגנונים של קידודים מולקולריים ואת תכונותיו המערכתיות ועודף של סימנים, המבטא את תכונת הניוון של הקוד הגנטי. ענף מחקר נפרד הוא הופעתה והתפתחותה של מערכת הקידוד לחומר תורשתי. עדויות לקשר בין פולינוקלאוטידים (DNA) לפוליפפטידים (חלבונים) נתנו תנופה לפיתוח הביולוגיה המולקולרית. וזה, בתורו, לביוטכנולוגיה, ביו-הנדסה, תגליות בברירה ובייצור יבול.
דוגמות וכללים
הדוגמה העיקרית של הביולוגיה המולקולרית - מידע מועבר מ-DNA למידעRNA, ואז ממנו לחלבון. בכיוון ההפוך, העברה אפשרית מ-RNA ל-DNA ומ-RNA ל-RNA אחר.
אבל המטריצה או הבסיס הם תמיד DNA. וכל שאר המאפיינים הבסיסיים של העברת המידע הם שיקוף של הטבע המטריצי הזה של השידור. כלומר, העברה על ידי סינתזה על המטריצה של מולקולות אחרות, שתהפוך למבנה של רבייה של מידע תורשתי.
קוד גנטי
קידוד לינארי של מבנה מולקולות החלבון מתבצע באמצעות קודונים משלימים (שלישיות) של נוקלאוטידים, מתוכם יש רק 4 (אדאין, גואנין, ציטוזין, תימין (אורציל)), מה שמוביל באופן ספונטני להיווצרות של שרשרת אחרת של נוקלאוטידים. אותו מספר והשלמה כימית של נוקלאוטידים הוא התנאי העיקרי לסינתזה כזו. אבל במהלך היווצרות מולקולת חלבון, אין התאמה בין כמות ואיכות המונומרים (נוקלאוטידים של DNA הם חומצות אמינו חלבון). זהו הקוד התורשתי הטבעי - מערכת של רישום ברצף הנוקלאוטידים (קודונים) את רצף חומצות האמינו בחלבון.
לקוד הגנטי יש מספר מאפיינים:
- טריפליטי.
- ייחודיות.
- אוריינטציה.
- לא חופפים.
- יתירות (ניוון) של הקוד הגנטי.
- רבגוניות.
בואו ניתן תיאור קצר, תוך התמקדות במשמעות הביולוגית.
שלשות, המשכיות ורמזורים
כל אחת מ-61 חומצות האמינו מתאימה לטריפלט סמנטי (טריפל) אחד של נוקלאוטידים. שלוש שלישיות אינן נושאות מידע על חומצת האמינו והן קודוני עצירה. כל נוקלאוטיד בשרשרת הוא חלק משלישייה, ואינו קיים בפני עצמו. בסוף ובתחילת שרשרת הנוקלאוטידים האחראים על חלבון אחד, ישנם קודוני עצירה. הם מתחילים או מפסיקים תרגום (הסינתזה של מולקולת חלבון).
ספציפי, לא חופף וחד כיווני
כל קודון (טריפלט) מקודד עבור חומצת אמינו אחת בלבד. כל שלישייה אינה תלויה בזו השכנה ואינה חופפת. נוקלאוטיד אחד יכול להיכלל בשלישייה אחת בלבד בשרשרת. סינתזת חלבון תמיד הולכת רק בכיוון אחד, המוסדר על ידי קודוני עצירה.
יתירות של הקוד הגנטי
כל שלישיה של נוקלאוטידים מקודדת חומצת אמינו אחת. ישנם 64 נוקלאוטידים בסך הכל, מתוכם 61 מקודדות חומצות אמינו (קודוני חוש), ושלושה חסרי משמעות, כלומר אינם מקודדים לחומצה אמינית (קודונים לעצור). היתירות (התנוונות) של הקוד הגנטי נעוצה בעובדה שבכל שלישייה ניתן לבצע החלפות - רדיקליות (מובילות להחלפת חומצות אמינו) ושמרניות (אין לשנות את מחלקת חומצות האמינו). קל לחשב שאם ניתן לבצע 9 החלפות בשלישייה (מצבים 1, 2 ו-3), ניתן להחליף כל נוקלאוטיד ב-4 - 1=3 אפשרויות אחרות, אז המספר הכולל של אפשרויות החלפת נוקלאוטידים האפשריות יהיה 61 x 9=549.
התנוונות של הקוד הגנטי מתבטאת בעובדה ש-549 גרסאות הן הרבה יותר מאשרהכרחי לקידוד מידע על 21 חומצות אמינו. יחד עם זאת, מתוך 549 וריאנטים, 23 החלפות יובילו ליצירת קודוני עצירה, 134 + 230 החלפות שמרניות ו-162 החלפות הן רדיקליות.
כלל הניוון וההדרה
אם לשני קודונים יש שני נוקלאוטידים ראשונים זהים, והשאר הם נוקלאוטידים מאותה מחלקה (פורין או פירמידין), אז הם נושאים מידע על אותה חומצת אמינו. זהו הכלל של ניוון או יתירות של הקוד הגנטי. שני יוצאים מן הכלל - AUA ו-UGA - הראשון מקודד מתיונין, למרות שהוא צריך להיות איזולאוצין, והשני הוא קודון עצירה, למרות שהוא צריך לקודד טריפטופן.
המשמעות של ניוון ואוניברסליות
לשתי התכונות הללו של הקוד הגנטי יש את המשמעות הביולוגית הגדולה ביותר. כל המאפיינים המפורטים לעיל אופייניים למידע התורשתי של כל צורות היצורים החיים על הפלנטה שלנו.
לניוון של הקוד הגנטי יש ערך אדפטיבי, כמו שכפול מרובה של הקוד של חומצת אמינו אחת. בנוסף, המשמעות היא ירידה במשמעות (התנוונות) של הנוקלאוטיד השלישי בקודון. אפשרות זו ממזערת נזק מוטציוני ב-DNA, מה שיוביל להפרות גסות במבנה החלבון. זהו מנגנון ההגנה של האורגניזמים החיים של הפלנטה.
