Ewolucja kodu genetycznego:

Dwa podejścia:

− wiele „trójek” nukleotydowych kodowało ten sam aminokwas;

− jakakolwiek „trójka” nukleotydowa kodowała jakikolwiek aminokwas; oznacza, że na

samym początku nie było kodu genetycznego; innymi słowy – z tego samego RNA nigdy

nei zejdzie to samo białko;

− teoria zamrożonego przypadku F. Cricka;

− teoria redukcji wieloznaczności Fitcha;

Teoria zamrożonego przypadku:

− najstarsze kodony: leucyna 6 kodonów, arginina – 6 kodonów, seryna – 6 kodonów; fakt ten jest interesujący jeśli chodzi o tworzenie kanałów błonowych; seryna hydrofobowa,

leucyna hydrofilowa; jeśli powstał by taki dwupeptyd to miałby wartości amfoteryczne;

− 4 kodonowe aminokwasy: Prolina, treonina, walina, alanina, glicyna; kodony kodujące

prolinę CCU, CCA, CCG; kod genetyczny od samego początku był trójkowy i na

początku trzecia litera kodonu nie miała znaczenia – odczytywane były pierwsze dwie

litery identyfikujące aminokwas a trzecia nie miała znaczenia; ewolucja systemu przejścia z dwójkowego na trójkowy byłaby szalenie skomplikowana, dlatego, kod od samego

początku był trójkowy; aminokwasy kodowane przez 4 kodony nazywamy rodzinami

(codon family boxes)

− izoleucyna ma 3 kodony AUU, AUC, AUA, burzą nam model rozdziału na purynę i

pirymidynę;

− aminokwasy kodowane przez 2 kodony – histydyna, glutamina; glutamina CAU, CAG;

rozróżnienie w trzeciej literze kodonu na purynę i pirymidynę; Split family codon boxes;

− metionina ma jeden kodon –AUG, kodon AUA koduje niekiedy metionine, izoleucyna

ukradła metioninie jeden kodon AUA;

− czy jest jakakolwiek relacja pomiędzy kodonem a aminokwasem? F. Crick mówi to jest

przypadek stąd teoria zamrożonego przypadku; nie ma żadnej relacji fizykochemicznej

pomiędzy aminokwasem a kodonem;

− dlaczego kod genetyczny zatrzymał się na wchłonięciu tylko 20 aminokwasów jak mógłby kodować 61? najprawdopodpodobniej wprowadzanie każdego aminokwasu kolejnego

odbierając kodon innemu w momencie kiedy metabolizm był kodowany było LETALNE;

nie było sposobu na wprowadzenie nowego aminokwasu; czy to prawda? i tak i nie;

selenocysteina, pirolizyna; selenocysteina występuje wszędzie; pirolizyna tylko u bakterii; są kodowane one przez kodony stop i wymagają odpowiedniego kontekstu mRNA, żeby

zostały odczytane; selenocysteina to cysteina w której siarka została zastąpiona seleną, duży potencjał redox ma, w oksydoreduktazach występuje selenocysteina, która jest

kodowana przez kodon UGA – jak maszyneria translacyjna odróżnia kiedy ma

wprowadzić selenocysteine a kiedy ma zakończyć translację? spinka do włosów jest za

UGA, wtedy jest koniec translacji; selenocysteina ma swój własny czynnik translacyjny

SELB (homolog eFTU), SELB rozpoznaje to miejsce i wiążę się to miejsce, idzie

rybosom i jak będzie SELB to wprowadza selenocysteinę, gdyż SELB ma większe

powinowactwo; te dwa dodatkowe aminokwasy nie mają swoich własnych kodonów tylko

zależą od kontekstu w jakim mRNA się znajduje.

Teoria wieloznaczności Fitach:

− jakakolwiek trójka koduje jakikolwiek aminokwas;

− redukcja wieloznaczności

− I etap: NNN – jakikolwiek aminokwas

− II etap: NYN – hydrofobowe AA, NRN – hydrofilowe AA

− III etap: RYN, YYN, RRN, YRN np.: cykliczne aa mają kodony rozpoznające się Y

(pirymidyną) (tyr, his, pro) przejmowanie kolejnych kodonów odbywało się na zasadzie

relacji prekursor-produkt w biosyntezie aminokwasów; np.: aa syntetyzowane przez kwas

szikinowy – I litera kodonu – U, aa syntetyzowane przez kwas pirogronowy w pierwszej

literze mają G, aa syntetyzowane przez kwas asparaginowy w pierwszej literze kodonu

mają A;

− na zasadzie fizykochemicznego powinowactwa aa i kodonów;

Pierwsze genomy w ryboorganizmach składały się z RNA – rozróżnienie genów i aktywnych

katalitycznie produktów poprzez obecność i wycinanie intronów; introny nadawałyby

cząsteczce większej liniowości a odcięcie intronów większą tendecję do upakowania; w latach 90 T. Cech udowodnił, że jest w stanie zmusić intron, żeby się wprowadził z powrotem do RNA; reakcja odwrotne do splicingu jest możliwa;

DNA pojawia się na arenie życia późno po wprowadzeniu procesu odwrotnej transkrypcji i nabycieu umiejętności syntezy dezoksyrybonukleotydów:

− zalety DNA jako magazynu informacji genetycznej:

- dwuniciowość

- stabilność, mniejsza podatność na hydrolizę;

− przesłanki będące podstawą teorii o późnym ewolucyjnie pochodzeniu DNA:

o mRNA, tRNA i rRNA biorą udział w biosyntezie białka, a RNA może być

replikowany przez RNA polimerazę;

o replikacja RNA jest mało skomplikowana w porównaniu z replikacją DNA;

o dezoksyrybonukleotydy są syntetyzowane z rybonukleotydów, a tymina z

uracylu;

o rybonukleotydy pełnią kluczową rolę w metabolizmie komórek; ATP jest

magazynem energii, a nie dATP; GTP a nie DTP jest zaangażowany w

translację, CTP a nie dCTP jest zaangażowany w metabolizm tłuszczowców;

cały metabolizm komórkowy istniał już wcześniej zanim pojawiły się

deoksyrybonukeotydy;

o rybonukleotydy są składnikami kofaktorów, deoksyrybonukleotydy nie są

składnikami kofaktorów;

Przy powstawaniu DNA struktura genomów RNA (ekson+intron) została przepisana na DNA.

Teoria tasowania eksonów W.Gilberta (Exon shuffling theory):

− eukariotyczne geny jądrowe w większości zawierają introny;

− rozrzut długości eksonów jest stosunkowo mały, śr. długość ok. 150nt;

− rozrzut długości intronów jest b. duży od kilkunastu nt do kilkudziesięciu tysięcy nt.;

− zmienność sekwencji intronowej – duża;

− introny – funkcje? Główną funkcją intronów jest branie udziału w rekombinacji

genetycznej umożliwiającej tasowanie różnych eksonów między różnymi genami jako

niezależnych jednostek; mechanizm – rekombinacja między sekwencjami intronowymi;

eksony – kodują małe jednostki białkowe tzw. moduły; Dzisiejsze geny powstały poprzez

złożenie mniejszych, funkcjonalnych modułów. Paradoks numeryczny wyjaśniony teorią

torowania eksonów:

o białko długości 200AA, liczba kombinacji 20200; moduły białkowe 20 AA; liczba kombinacji 2020 (15kg białka); założenie; tylko 106 konformerów 20 AA

istniej wśród eksonów: I ekson – selekcja z 106 możliwości; II ekson – selekcja

z 106 możliwości;

dowody na torowanie eksonów w dzieijszych genach;

pojecią domeny białkowej:

1.) domena funkcjonalna – wiążąca substrat, kofaktor, trudno zdefiniować zasięg granic domeny funkcjonalnej często aminokwasy pochodza z róznych miejsc łańcuch

polipeptydowego;

2.) domena strukturalna – zwarta struktura mogąca być na podstawie swej zawartości wyróżniaona z innych części białka; domenę strukturalną określamy mianem moduły

(M.Go); składa się, z ciągu do 20stu aminokwasów; M.Go udowodniła w kilku

przypadkach, że moduły białkowe kodowane są często przez jeden ekson; białka

globinowe: badanie kryształów łańcuchów alfa i beta hemoglobiny; każdy łańcuch

składa się z 4 modułów (domen strukturalnych); Tym modułom – w myśl teorii

Gilberta powinny odpowiadać 4 eksony, każdy koduje jeden moduł; W genach

globinowych kręgowców zlokalizowano 3 eksony, dwa zewnętrzne odpowiadają

dokładnie modułom białkowym M.Go. środkowy jest zlaniem dwóch środkowych;

Przewidziała obecność intronów między eksonami, pokazała miejsce gdzie miałby się

znajdować; znalezieniu intronu dokładnie w tej pozycji w genach leghemoglobiny

roślinnych – leghemoglobina ma duże powinowactwo do tlenu, cząsteczki

leghemoglobiny otaczają centrum i wiążę tlen; niedopuszcza do centrum

nitrocośtamego. U zwierząt (kręgowcó) utrata w trajcue ewolucji jednego intronu.

dehydrogenazy – nie można przyporządkować eksonom żadnych modułów; niedawno

odkryto, że w pewnych intronach są otwarte ramki odczytu, czyli coś kodują. u bakterii stwierdzono, że kodowane są endonukleazy (homing endonukleo..). Nukleaza zasiedlajaca ma zdolnośc do identyfikacji sekwencji nukleotydowej na granicy eksonów i doprowadza do rozcięcia tej sekwencji i wprowadza intron; introny mogą zasiedlać geny; skoro mamy

przyporządkowanie modułów i eksonów i w niektórych nie mamy, to tam gdzie nei mamy to

introny mają późne pochodzenie;

Zjawisko duplikacji eksonów:

− wiele białek posiada ‘zduplikowane’ domeny strukturalne, powstałe wskutek duplikacji wewnątrzgenomowych na poziomie DNA;

− wiele sąsiadujących ze sobą eksonów ma identyczny lub bardzo podobny skład

nukleotydowy  duplikacja, a następnie modyfikacja sekwencji eksonów;

− proces ten nazywamy procesem wydłużania genów i jest to jeden z najważniejszych

etapów ewolucji złożonych genów z prostych genów;

Teoretyczne sposoby wydłużania genu:

− przekształcenie kodonu stop w jakikolwiek inny kodon;

− insercja obcego segmentu DNA do eksonu;

− mutacja likwidująca sekwencję typową dla granic ekson/intron; zyskujemy sekwencje

intronową;

− duplikacja eksonów kodujących domeny strukturalne; przykład genu posiadającego

duplikację eksonów: owomukoid – białko obecne w białku ptasich jaj, inhibitor trypsyny; 3 domeny owomukoidu: Polipeptyd można podzielić na trzy funckjonalen/strukturalne

domeny; każda wiaże jedną cząsteczkę trypsyny; domenty te wykazują wspólne ewolucyjne

pochodzenie i są oddzielone od siebie intronami; każda z domen zawiera dwa eksony przedzielone intronem; obszary dwóch eksonów nei wykazują względem siebie

powinowactwa; z tej pradomeny poprzez dwi wewnętrzne duplikacje pojawił się gen dla

owomukoidu; każda z duplikacji jak wykazała analiza białka dotyczyła sąsiadujących

eksonów;

Duplikacja eksonów produkuje dwie identyczne kopie: kopie mogą zachować ich oryginalną funkcję, umożliwiając organizmowi większa produkcję RNA lub białka, takie kopie

nazywamy niezmienionymi powtórkami (inwariant repetitions); dawka genu reguluje poziom produktu (tRNA, rRNA, histonu);

− kopie mogą gromadzić mutacje; takie geny nazywamy zmienionymi powtórkami (wariant

repetitions); kopie, choć do pewnego stopnia podobne, bpełnią wyraźnie różne funkcje

np.: trombina hydrolizuje fibrynogen i trypsyna (enzym trawienny) pochodzą z całkowiej duplikacji genu w przeszłości; laktoalbumina (podjednostka enzymu sytnetetyzującego

laktozę) i lizozym (enzym rozkładający polisacharydowy składnik proteoglikanów ściany

komórkowej niektórych bakterii)

Duplikacja a następnie mutacje, kreują na poziomie białka nową jakość; geny należące do określonej grupy „powtórzeń” nazywamy rodziną genów lub wielogenową rodziną; Gdy

homologia duplikatów spada poniżej 50%, a produkty duplikatów zaczynają pełnić zupełne inne funkcje, to geny takie tworzą nadrodzinę np.: nadgodzina genów globinowych:

1. pewne geny zachowały oryginalną funkcję

2. pewne geny nabyły nowe funkcje

3. pewne geny utraciły w ogóle funkcje

U człowieka nadgodzina globinowa skład się z trzech rodzin:

alfa-globiny kodowanych na chromosomie 16

beta-globiny na chromosomie 11

mioglobiny na chromosomie 22;

Mioglobina – monomeryczna wyspecjalizowana w przechowywaniu tlenu, ulega ekspresji w

mięśniach;

hemoglobina – tetrameryczna wyspecjalizowana w transporcie tlenu, ulega ekspresji w

retikulocytach;

w hemoglobinie – łańcuchy globin typu alfa i beta;

Członkowie poszczególnych rodzin mogą podlegać regulacji ontogenetycznej:

psi2, eta2 i alfa2 eta2 wystęują w embrionie

alfa2, gama2 występuje w płodzie

alfa2, beta2, alfa2, gama2 występują u dorosłych;

czas ekspresji teta jest nieznany;

hemoglobina płodowa alfadwa, gamadwa ma największe powinowactwo do tlenu; pojawia się

w życiu płodowym; W rodzienie alfaglobin ksi jest najbardziej różna od innych alfaglobin,