Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Over de evolutie van de genetische code

Tot nu toe gingen mijn blogs vaak over de abiogenesis, ofwel het ontstaan van de eerste macromoleculen (DNA, RNA en eiwitten) uit de beschikbare moleculen in de ‘primordiale soep’. Daarbij springt vooral het werk van Ernesto Di Mauro (1, 2) in het oog, die liet zien dat zich in water zonder katalyserende enzymen spontaan lange ketens van nucleotiden (ofwel basen) kunnen vormen. In zijn experimenten ging het om heel eenvoudige ketens van maar één van de vier basen.

Genetische code

De genetische code: A, G, C en U zijn de vier basen van het RNA die de drieletterig code vormen voor de aminozuren (aangegeven met kleine letters)

Nucleotiden ofwel basen zijn de letters van het DNA en het RNA. DNA kent iedereen als de moleculen waarin onze genen opgeslagen liggen. De genen worden gelezen en zo wordt er in de celkern mRNA van gemaakt dat een bijna exacte kopie is van het DNA. Het DNA en het RNA bestaan uit vier verschillende letters (A, G, C en T of U). Bij de productie van eiwitten, wordt het mRNA afgelezen waarbij de letters in groepjes van drie worden herkend door het transferRNA ofwel het tRNA. Die groepjes van drie zijn de codons. Deze zijn complementair aan een tRNA dat een specifiek aminozuur draagt. Aangezien we vier ‘letters’ hebben die zich in groepjes van drie kunnen combineren, bestaan er 4^3 = 64 verschillende codons. De eiwitten, die uit ketens van aminozuren bestaan, zijn uit slechts 20 verschillende aminozuren opgebouwd. In de tabel zijn de codons met hun corresponderende aminozuren te zien; dit is de genetische code. Het blijkt dat de code voor elk aminozuur voornamelijk bepaald wordt door de eerste twee letters. De derde is vaak irrelevant. Deze derde positie wordt ook wel de Wobble positie genoemd en de code zelf is zogezegd gedegenereerd. Het gangbare idee is dat de oorspronkelijke primordiale code slechts uit twee nucleotiden bestond en dat daar vervolgens een code van drie basen uit ontstaan is.

Translatie

Fig. 1 Translatie: Het tRNA hecht zich met het anti-codon aan het codon van het mRNA (groen). Het gedragen aminozuur wordt vastgehecht aan de groeiende peptide.

Een belangrijke rol heeft het tRNA. Dit tRNA heeft een arm waarvan het uiteinde van de lus complementair is aan het codon van het mRNA. Het tRNA, dat een specifiek aminozuur draagt, hecht zich met zijn anti-codon aan het mRNA zodra ‘zijn’ codon aan de beurt is om vertaald te worden (zie fig. 1). Het aminozuur hecht zich aan de keten aminozuren en is daarmee deel van het groeiende eiwit. De code is gedegenereerd wat betekent dat er verschillende tRNA’s zijn die hetzelfde aminozuur dragen.

De allerbelangrijkste speler is wel de synthase van het tRNA. Dit enzym is verantwoordelijk voor de juiste koppeling van een tRNA aan het bijbehorende aminozuur (zie fig.2) . Het is de ware tweetalige protagonist die de brug legt tussen de vier lettercode van het DNA/RNA en de twintig lettercode van de eiwitten. Hier is een filmpje te zien van hoe dat in zijn werk gaat. Een kant van het enzym leest het anti-codon en de andere kant hecht het juiste aminozuur aan het andere uiteinde van het tRNA. Elk aminozuur heeft zijn eigen tRNA-synthase.

tRNA synthase

Fig. 2. tRNA synthase (geel), tRNA (rood)

Er bestaan twee groepen tRNA-synthase. Elke groep bestaat uit 10 enzymen. De twee groepen verschillen van elkaar voor wat betreft hun actieve site, hun sequentie, en de plek waar het aminozuur vastgemaakt wordt. Op dezelfde manier kunnen de aminozuren in twee groepen verdeeld worden. Dit heeft geleid tot het idee dat de twee groepen apart van elkaar geëvolueerd zijn of zelfs na elkaar. Het zou kunnen dat er ooit twee codes naast elkaar bestonden en dat deze twee zich samengevoegd hebben. Het zou ook kunnen dat er in eerste instantie heel eenvoudige eiwitten bestaan hebben van slechts 10 aminozuren (groep II) in plaats van 20. Studies van sterk geconserveerde sequenties, die dus erg oud zijn, tonen aan dat deze voornamelijk uit groep II-aminozuren zijn opgebouwd. Deze primordiale verdubbeling van de genetische code laat zien dat de code niet eenvoudigweg een ‘bevroren toeval’ is zoals Crick beweerde, maar wel degelijk een optimale code is.

Uit: Apoorva Patel (2004); Woese et al. (2000); José et al. (2009)

15 Reacties op “Over de evolutie van de genetische code

  1. Aad Verbaast januari 3, 2012 om 11:02

    Mooi blog weer van je zo in het nieuwe jaar. Ingewikkeld in al zijn (relatieve) eenvoud.
    Mooie term: wobble. Heeft wel iets weg van “wokkel”.😉

    • Marleen januari 3, 2012 om 11:36

      @Aad, dank je. Het is wel wat ingewikkeld, maar gelukkig zijn er de figuren die heel veel duidelijk maken.
      De ‘wokkel’-positie, nee dat klinkt niet best.

  2. tsjok45 januari 3, 2012 om 23:52

    Graag bied ik mijn beste wensen aan iedereen die dit blog bezoekt , becommentarieerd ….. en uiteraard ook in het bijzonder aan Marleen die nog steeds verder onverdroten verder werkt aan haar blog(s) …. Iets wat bij mij voorlopig op een zeer laag pitje staat , samen met comments op verschillende fora ….Ik hoop dat deze afwezigheid (metaalmoeheid ? ) niet van blijvende aard zal blijken te zijn , maar momenteel ontbreekt me het animo ( en mijn gezondheidstoestand die me noopt om met mijn verder energie economisch en vooral gedoseerd om te springen ) ….
    Uiteraard blijf ik het allemaal zoveel als mogelijk met veel belangstelling verder meelezen

    Met vriendelijke groeten
    Tsjok

  3. Marleen januari 4, 2012 om 01:25

    @tsjok45, fijn om weer van je te horen. Zelf ben ik ook niet meer zo actief met het bloggen. De sfeer zoals die bij de Volkskrant was ontbreekt enigszins.
    Het zou inderdaad heel jammer zijn als je afwezigheid metaalmoeheid was. Ik hoop van harte dat het tijdelijk van aard is en dat je misschien zelfs weer een blogbericht schrijft.
    Het is zeker prettig te weten dat je meeleest.

    Sterkte en vriendelijke groet,

  4. geinteresseerde leek januari 30, 2012 om 17:35

    marleen even een vraag van een geinteresseerde buitenstaander
    dank voor je uitleg, maar ik heb toch nog een vraag
    als er wobble posities zijn, dus gedegenereerde code, waarom hebben die 64 codons daar dan geen last van, c.q. waarom zijn het er nog steeds 64 dus 4^3, en geen 16 of pak weg 30 of zo?
    irrelevant is irrelevant,gedegeneerd gedegeneerd, lijkt mij, maar misschien is dat in jullie vak anders!

    • Marleen januari 30, 2012 om 18:10

      Beste leek, ik hoop dat ik je goed begrijp. De degeneratie manifesteert zich niet op niveau van mogelijke combinaties van de triplet code (4^3), maar op niveau van de mogelijke corresponderende aminozuren. Dit zouden er theoretisch 64 kunnen zijn, maar het zijn er slechts 20. Meerdere (triplet) codes coderen dus voor hetzelfde aminozuur. Dit is de degeneratie. Het blijkt nu dat de derde positie in de triplet code de positie is die er vaak niet toe doet (zie tabel); de wobble positie.

      De 64 codes zijn een wiskundig gevolg van het feit dat er 4 mogelijke basen in één triplet gaan. De volgorde van basen kan niet degenereren en de hoeveelheid ook niet. De 64 codes zijn er gewoon, daar is niets aan te doen. Daar is geen degeneratie in mogelijk.

  5. geinteresseerde leek januari 31, 2012 om 10:29

    marleen, ik snap het idee van permutaties en die 64 combinaties en ik wist dat er maar 20 aminozuren zijn, maar dat leek me juist zo interessant (in verband met Gert’s (eeuwige!) probleem).

  6. Marleen januari 31, 2012 om 14:03

    @geinteresseerde leek. Apoorva Patel (zie link onderaan het artikel) heeft een theorie die stelt dat de eerste codons uit twee nucleotiden bestond. Hij stelt ook dat er in eerste instantie twee codes waren, elk voor tien aminozuren, en dat deze twee codes zich daarna samengevoegd hebben. De derde positie, ofwel de wobble positie had absoluut geen rol totdat de codes zich samenvoegden. Dit alles zou op te maken zijn uit het feit dat er twee klassen tRNA’s zijn die elk 10 aminozuren voor hun rekening nemen. Het is een lang artikel en ik kan er helaas niet zomaar een samenvatting van maken.

  7. geinteresseerde leek januari 31, 2012 om 22:29

    @ dank je marleen
    ik geloof dat ik een verkeerd vak gekozen heb, vroeger
    en had jij geen lerares moeten worden eigenlijk?😉
    we zitten trouwens ook al samen op facebook

    • Marleen januari 31, 2012 om 22:40

      @geinteresseerde leek, ik was bijna lerares geworden, maar heb het toch maar bij onderzoek gehouden…
      Ik neem aan dat je het dus enigszins begrepen hebt. Dat zou fijn zijn want ik vind het zelf behoorlijk ingewikkeld.

  8. geinteresseerde leek februari 1, 2012 om 12:58

    ja, kun je wel zeggen, ingewikkeld! Ik bedoelde daarom ook vooral dat je niet moe wordt het zo goed mogelijk uit te leggen, maar of ik het dan ook echt begrijp is dus een tweede,
    En er zijn ook rare dingen in jullie vak. Neem nou dat verhaal over die 8 aminozuren (zie mijn antwoord blog gert).
    Als mijn vragen te veel nergens op slaan, moet je het gewoon zeggen hoor. Klok en Klepel, weet je.

    • Marleen februari 1, 2012 om 17:19

      @geinteresseerde leek, de mogelijke aminozuren voor de primitieve code van twee basen was 4^2 dus 16 (géén 8) mogelijke aminozuren. Omdat er oorspronkelijk wellicht twee verschillende DNA codes waren waarbij de codons uit twee basen bestonden zijn er 2*16 = 32 mogelijke aminozuren. Waarom de code uiteindelijk geevolueerd is naar een codon van 3 basen met 64 verschillende codons is me eigenlijk een raadsel aangezien 32 mogelijkheden meer dan genoeg is voor de 20 aminozuren die we kennen.

  9. geinteresseerde leek februari 1, 2012 om 17:58

    @ ja interessant. Er is dus sprake van een grote redundantie, zou ik zeggen.
    – zoals bijvoorbeeld bij natuurlijke taal. In een tekst kun je ook aardig wat letters en of woorden schrappen, of zelfs tot wel systematisch 50% van alle fonemen: het was vroeger kennelijk nogal lawaaierig op die savanne, een hoop kabaal, ruis, dus had je om het signaal een beetje redelijk over te kunnen brengen flink wat overkill nodig. Zo niet dan was deze reactie nu, echt stukken korter geweest!

  10. Pingback:Energie en vouwende proteinen | Op zoek naar de klepel

  11. Pingback:ABIOGENESIS UPDATES | Tsjok's blog

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: