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,