Генетический код избыточен, на 64 возможных комбинации нуклеотидов приходится 20 аминокислот (триплетные кодоны). Поэтому некоторые аминокислоты кодируются несколькими разными кодонами. В то время как лейцин кодируется 6 кодонами, триптофан кодируется только одним кодоном.
[Мне известно, что наборы кодонов, кодирующих одну данную аминокислоту, имеют тенденцию быть более похожими друг на друга, чем случайными. Обычно только последнее основание не влияет на кодируемую аминокислоту.]
Поэтому я не думаю, что генетический код может быть полностью объяснен тем, что «так получилось в первый раз» (при зарождении жизни или у последнего универсального общего предка) «и он никогда не менялся».
Итак, мои вопросы:
Почему одни аминокислоты кодируются несколькими кодонами, а другие — одним или двумя?
В частности, почему метионин кодируется только одним кодоном — AUG — который также должен служить стартовым сигналом?
В общем, как (с помощью каких механизмов, давления отбора) генетический код эволюционировал, чтобы создать этот образец избыточности?
Этот вопрос тесно связан, и увлекательная ссылка , опубликованная @JohnSmith, хорошо читается.
Короче говоря, с системой из четырех оснований и размером кодона 1 вы получаете четыре возможные аминокислоты. Глупая система. Размер кодона 2 дает 16. Не слишком потертый, но не так много места для роста, и недостаточно для тех 20 аминокислот. Кодоны размера 3 дают 64 - много места для работы, и он покрывает все ваши обозримые аминокислоты, а затем и некоторые, не будучи слишком расточительным.
Избыточность, известная как вырождение , довольно проста. Есть место для расширения, и любая избыточность/вырожденность только уменьшит вероятность ошибок. Это огромное преимущество. Для некоторых аминокислот достаточно первых двух оснований. Эта третья позиция может быть весьма устойчива к мутациям, что очень полезно для организмов. Он кажется еще более точным, поскольку избыточность часто не только снижает вероятность мутации, но и уменьшает ущерб, причиняемый мутацией основания. Замена гидрофобной АК на другую гидрофобную с меньшей вероятностью вызовет аберрантную функцию белка, и что-либо с Uв середине, вероятно, гидрофобный. Удобный! Я также отмечу, что, хотя эта корреляция не идеальна и даже не значительна, более популярные аминокислоты имеют тенденцию к большей избыточности; триптофан традиционно является наименее распространенным АК.
Наконец, есть несколько непротеиногенных аминокислот , поэтому, как указано в связанном вопросе/ответе выше, возможно, в будущем аминокислот будет больше.
Похоже, что дублирующиеся кодоны делают перевод более надежным и устойчивым к неправильному прочтению. Существует четыре теории, объясняющие существование повторяющихся кодонов:
Они не исключают друг друга, и статья «Происхождение и эволюция генетического кода: универсальная загадка» пытается их примирить:
Математический анализ структуры и возможных эволюционных траекторий кода показывает, что он очень устойчив к трансляционному неправильному прочтению, но существует множество более надежных кодов, поэтому стандартный код потенциально может развиваться из случайного кода через короткую последовательность переназначений серий кодонов. Таким образом, большая часть эволюции, которая привела к стандартному коду, могла быть комбинацией замороженной случайности с отбором для минимизации ошибок, хотя нельзя исключать вклад совместной эволюции кода с метаболическими путями и слабым сходством между аминокислотами и триплетами нуклеотидов. Однако такие сценарии эволюции кода основаны на формальных схемах, отношение которых к фактической изначальной эволюции сомнительно.
Насколько я понимаю, идея состоит в том, что кодоны сгруппированы путем отбора по физико-химическим свойствам соответствующих аминокислот, поэтому случайная мутация в один нуклеотид не изменит свойства или соответствующие аминокислоты не будут слишком драматичными.
Некоторые элементы ответа на ваш вопрос.
Во-первых, кое-что о частоте тРНК. Даже если для данной аминокислоты имеется шесть кодонов, они не эквивалентны, потому что некоторые из них будут соответствовать многочисленным тРНК, а другие — очень минорным тРНК. Это оказывает существенное влияние на скорость преобразования, поскольку преобразование будет резко замедляться на минорной тРНК (пока рибосома ожидает соответствующей тРНК). Это может иметь очень важное влияние на сворачивание белков (см., например, эту статью: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0002189 ). Наличие нескольких кодонов для обычных аминокислот на самом деле может быть мощной тонкой настройкой фолдинга белков.
Во-вторых, как и в некоторых случаях (сплайсинг, вставка селеноцистеина, что еще?), чрезвычайно важна вторичная структура продуцируемой мРНК, организмы должны иметь возможность изменять последовательность РНК, чтобы оставить место для этого, и это может происходит только в том случае, если есть много аминокислот, для которых есть возможность настроить полученную последовательность мРНК.
В-третьих, неверно, что генетический код универсален. Существуют некоторые эволюции генетического кода, см., например, конкретный случай метионина в митохондриях: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0802779105 .
адам.р
Дэйвид