Kako je nastao genski kôd?

Bjelančevine i nukleinske kiseline nekoć su, u prapovijesti života, bile mnogo jednostavnije nego danas. Kako to znamo kad ništa o prvom životu ne znamo? E, pa znamo.

Nenad Raos petak, 1. siječnja 2021. u 06:00

Izraz „genski kôd“, a odnedavno i „glasnička RNA“ (mRNA, m stoji za messenger), ušla je u svakodnevni govor, u nekom neodređenom, pravo rečeno pogrešnom značenju. Obično se misli da je genski kôd ono što razlikuje čovjeka od čovjeka, ono što je zapisano u genima. No nije tako – nego ovako: na temelju informacije sadržane u genima (u molekuli DNA) prvo nastaje, kao kopija gena, glasnička RNA, na temelju koje se potom sintetiziraju proteini, od svakog gena po jedan. Ukratko: DNA → mRNA → protein. Tako kaže centralna dogma (osnovno učenje) molekularne biologije.

Kako izgleda put od gena do proteina? Na signal iz citoplazme molekula DNA počinje kopirati svoj redoslijed povezivanja nukleotida sintezom odgovarajuće mRNA. Molekula mRNA se zatim veže za ribosome. Na njima se potom prema redoslijedu povezivanja nukleotida u molekuli mRNA povezuju aminokiseline u polipeptidni lanac, u molekulu proteina. Redoslijed triju nukleotida u molekuli DNA prepisuje se u isti takav redoslijed u molekuli mRNA (samo je jedan nukleotid, T, u molekuli DNA zamijenjen drugim nukleotidom, nukleotidom U, u molekuli mRNA). Tri nukleotida nose naredbu za ugradnju jedne od 20 aminokiselina u molekulu proteina. Redoslijed šest nukleotida u molekuli DNA, TATCGT,  u prijepisu molekule mRNA glasi UAUCGU. Potom će se taj redoslijed nukleotida pretvoriti u redoslijed aminokiselina, Tyr-Arg. To znači da shemu DNA → mRNA → protein možemo napisati i kao TAT→ UAU → Tyr.

Ali zašto se baš redoslijed TAT (ili TUT) čita kao Tyr (tirozin), a redoslijed CGT (ili CGU) kao Arg (arginin)? Ili, drugim riječima, odakle potječe genski kôd, zašto je baš ovakav a ne onakav? (Ovime sam odgovorio i na pitanje što je genski kôd. To je skup svih tripleta nukleotida (kodona) koji određuju redoslijed povezivanja aminokiselina.) Pitanja su to na koja znanstvenici još ne znaju odgovoriti, ali od traženja rješenja ne odustaju.

Dvojica bugarskih znanstvenika, Anastas Gospodinov i Dimiter Kunnev nedavno su analizom genskog kôda došli do zaključka: proteini i nukleinske kiseline nekoć su bile mnogo jednostavnije molekule. Prve su proteine izgrađivale samo četiri aminokiseline, alanin (Ala), glicin (Gly), arginin (Arg) i prolin (Pro) te dva nukleotida, C i G, od današnjih četiri. Ostalih 16 aminokiselina i dva nukleotida, A i T (U), došli su kasnije, tijekom evolucije. Tek tada je nastala prastanica od koje je poteklo sve što je živjelo i živi na Zemlji, LUCA (the last universal common ancestor). Rezultate svojih istraživanja objavili su 2020. godine u rujanskom broju časopisu Life pod naslovom „Universal codons with enrichment from GC to AU nucleotide composition reveal a chronological assignment for early to late along with LUCA formation“. Štoviše, iz razmatranja interakcija RNA s proteinima bugarski su znanstvenici opisali biokemijski mehanizam koji je mogao voditi do obogaćivanja stanica novim aminokiselinama i novim nukleotidima.

To nas ne bi trebalo previše čuditi. Kao prvo, parovi CG i AT (AU) su neovisni, budući da se nukleinske kiseline sintetiziraju te međusobno vežu i prepoznaju sparivanjem nukleotida, točnije njihovih baza, C-G i A-T (A-U). Već je odavno uočeno da je DNA nekih živih vrsta bogatija parovima C-G (zelene alge), a drugih parovima A-T (više biljke i višestanične životinje). S druge pak strane, u pokusima nastajanja aminokiselina prije postanka života poglavito su dobivane najjednostavnije aminokiseline – glicin i alanin. Njihovi su kodoni GGx (za Gly) i GCx (za Ala), gdje x može biti bilo koji od četiri nukleotida. Molekula DNA ili RNA sastavljena od C i G mogla bi dakle kodirati nastajanje proteina. No ne samo proteina sastavljenih od te dvije aminokiseline, nego i onih u kojima bi još bilo prolina (CCx) i arginina (CGx).

Zašto su prvo nastale nukleinske kiseline sastavljena od C i G, a ne recimo od A i T? Autori nalaze uvjerljiv odgovor: zato što su stabilnije. Parovi nukleotida se naime povezuju vodikovim vezama među bazama, par C-G trima, a par A-T (A-U) dvjema, pa je već iz toga jasno da su molekule nukleinske kiseline tipa CG čvršće građene. Ali zašto na tome nije i ostalo? Zašto i danas nemamo proteine izgrađene samo od glicina, alanina, prolina i arginina, a možda samo od glicina i alanina?

Riječ je o tome što svojstva proteina ovise o svojstvima aminokiselina koje su u njima vezane. Molekule samo od glicina i alanina bile su prefleksibilne, arginin i prolin dali su im čvrstoću. Pojavom nukleotida A i T (U) nastaju kodovi „srednje“ skupine aminokiselina koje su povećale mogućnost prilagodbe proteina novim biološkim funkcijama. Na kraju se pojavila skupina „AU bogatih“ aminokiselina. Te su aminokiseline omogućile izgradnju transmembranskih proteina, dakle proteina ugrađenih u staničnu membranu. I tako smo došli od početaka života do prve stanice koja dijeli genski kôd sa svim stanicama koje su živjele i žive na Zemlji.

Na kraju ne mogu ne spomenuti glasničku RNA (mRNA) koja se nalazi u Pfizerovom cjepivu (poseban osvrt o cjepivima za sutra priprema Igor Berecki, op. ur.). Ona nosi upute za sintezu virusnog proteina (pike protein) koji treba izazvati odgovor imunološkog sustava. Jedina razlika između te i svih drugih molekula mRNA je što ulazi u stanicu izvana umjesto da se sintetizira u staničnoj jezgri. Može li mRNA biti opasna? Kako može biti opasno nešto što se nalazi u svakoj stanici – od postanka života!

 

Nenad Raos je kemičar rođen 1951. u Zagrebu, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je jednu, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.