Защо генетичният код е универсален? Биосинтеза на протеини и нуклеинови киселини

В метаболизма на тялото водеща роля принадлежи към протеините и нуклеиновите киселини.
Протеиновите вещества формират основата на всички жизненоважни клетъчни структури, имат необичайно висока реактивност и са надарени с каталитични функции.
Нуклеиновите киселини са част от най-важния клетъчен орган - ядрото, както и цитоплазмата, рибозомите, митохондриите и др. Нуклеиновите киселини играят важна, първостепенна роля в наследствеността, изменчивостта на тялото и синтеза на протеини.

Планирайтесинтез протеинът се съхранява в клетъчното ядро, а директният синтез се извършва извън ядрото, така че е необходимо услуга за доставкакодиран план от ядрото до мястото на синтеза. Тази услуга за доставка се извършва от РНК молекули.

Процесът започва при сърцевина клетки: част от "стълбата" на ДНК се развива и отваря. Благодарение на това РНК буквите образуват връзки с отворените ДНК букви на една от ДНК веригите. Ензимът прехвърля буквите на РНК, за да ги свърже в нишка. Така че буквите на ДНК се "пренаписват" в буквите на РНК. Новообразуваната верига на РНК се разделя и "стълбата" на ДНК се усуква отново. Процесът на четене на информация от ДНК и синтезиране на нейната РНК матрица се нарича транскрипция , а синтезираната РНК се нарича информационна или i-RNA .

След допълнителни модификации този вид кодирана иРНК е готова. i-RNA излиза от ядротои отива до мястото на протеинов синтез, където се дешифрират буквите i-RNA. Всеки набор от три букви на i-RNA образува "буква", която означава една специфична аминокиселина.

Друг тип РНК търси тази аминокиселина, улавя я с помощта на ензим и я доставя до мястото на протеиновия синтез. Тази РНК се нарича трансферна РНК или тРНК. Тъй като иРНК съобщението се чете и превежда, веригата от аминокиселини нараства. Тази верига се усуква и сгъва в уникална форма, създавайки един вид протеин. Дори процесът на сгъване на протеини е забележителен: да се използва компютър, за да се изчислят всички настроикище са необходими 1027 (!) години, за да се сгъне средно голям протеин, състоящ се от 100 аминокиселини. А за образуването на верига от 20 аминокиселини в тялото отнема не повече от една секунда и този процес протича непрекъснато във всички клетки на тялото.

Гени, генетичен код и неговите свойства.

На Земята живеят около 7 милиарда души. С изключение на 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, тогава генетично всички хора са различни : всеки е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности, темперамент.

Такива разлики са обяснени различия в генотипите- набори от гени на организъм; всеки един е уникален. Въплъщават се генетичните черти на определен организъм в протеини - следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и доста, от протеина на друг човек.

Това не означаваче хората нямат абсолютно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или много малко да се различават една от друга с една или две аминокиселини. Но не съществува на Земята от хора (с изключение на еднояйчните близнаци), в които биха били всички протеини са същите .

Информация за първичната структура на протеинакодиран като последователност от нуклеотиди в част от ДНК молекула, ген - единица наследствена информация на организъм. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на един организъм съставлява него генотип . По този начин,

Генът е единица наследствена информация на организъм, която съответства на отделен участък от ДНК

Наследствената информация е кодирана с помощта на генетичен код , който е универсален за всички организми и се различава само по редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодират протеини на конкретни организми.

Генетичен код се състои от триплети (триплети) от ДНК нуклеотиди, които се комбинират в различни последователности (AAT, HCA, ACH, THC и т.н.), всяка от които кодира специфична аминокиселина (която ще бъде вградена в полипептидната верига).

Всъщност код брои последователност от нуклеотиди в i-RNA молекула , защото той премахва информация от ДНК (процесът транскрипции ) и го превежда в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезирани протеини (процес излъчвания ).
В състава на тРНК влизат нуклеотидите A-C-G-U, чиито триплети се наричат кодони : CHT ДНК триплетът на иРНК ще стане HCA триплет, а AAG ДНК триплетът ще стане UUC триплет. Точно i-RNA кодони отразява генетичния код в записа.

По този начин, генетичен код - единна система за запис на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина под формата на последователност от нуклеотиди . Генетичният код се основава на използването на азбука, състояща се само от четири нуклеотидни букви, които се различават по азотни бази: A, T, G, C.

Основните свойства на генетичния код:

1. Генетичен код триплет. Триплет (кодон) е последователност от три нуклеотида, която кодира една аминокиселина. Тъй като протеините съдържат 20 аминокиселини, очевидно е, че всяка от тях не може да бъде кодирана от един нуклеотид ( тъй като в ДНК има само четири вида нуклеотиди, в този случай 16 аминокиселини остават некодирани). Два нуклеотида за кодиране на аминокиселини също не са достатъчни, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 16 аминокиселини. Това означава, че най-малкият брой нуклеотиди, кодиращи една аминокиселина, трябва да бъде поне три. В този случай броят на възможните нуклеотидни триплети е 43 = 64.

2. Излишък (дегенерация)Кодът е следствие от неговата триплетна природа и означава, че една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (тъй като има 20 аминокиселини и има 64 триплета), с изключение на метионин и триптофан, които са кодирани само от един триплет. Освен това някои триплети изпълняват специфични функции: в молекулата на иРНК триплетите UAA, UAG, UGA са терминиращи кодони, т.е. Спри се-сигнали, които спират синтеза на полипептидната верига. Триплетът, съответстващ на метионина (AUG), стоящ в началото на ДНК веригата, не кодира аминокиселина, но изпълнява функцията на иницииране (вълнуващо) четене.

3. Еднозначност код - наред с излишъка, кодът притежава свойството уникалност : всеки кодон съвпада само единспецифична аминокиселина.

4. Колинеарност код, т.е. последователност от нуклеотиди в ген точносъответства на последователността на аминокиселините в протеина.

5. Генетичен код без припокриване и компактност , т.е. не съдържа "препинателни знаци". Това означава, че процесът на четене не позволява възможността за припокриване на колони (триплети) и, започвайки от определен кодон, четенето продължава непрекъснато тройка по тройка, докато Спри се-сигнали ( терминиращи кодони).

6. Генетичен код универсален , т.е. ядрените гени на всички организми кодират информация за протеините по един и същи начин, независимо от нивото на организация и системното положение на тези организми.

Съществуват таблици с генетичен код за дешифриране кодони i-RNA и изграждане на вериги от протеинови молекули.

Реакции на матричен синтез.

В живите системи има реакции, непознати в неживата природа - реакции на матричен синтез.

Терминът "матрица"в технологията те обозначават формата, използвана за отливане на монети, медали, типографски тип: закаленият метал точно възпроизвежда всички детайли на формата, използвана за отливане. Матричен синтезнаподобява отливка върху матрица: новите молекули се синтезират в строго съответствие с плана, заложен в структурата на вече съществуващите молекули.

Принципът на матрицата се крие в основатанай-важните синтетични реакции на клетката, като синтеза на нуклеинови киселини и протеини. При тези реакции се осигурява точна, строго специфична последователност от мономерни единици в синтезираните полимери.

Тук е посоката издърпване на мономери до определено мястоклетки - в молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на случаен сблъсък на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на базата на матричния принцип се извършва бързо и точно. Ролята на матрицата макромолекулите на нуклеиновите киселини играят в матрични реакции ДНК или РНК .

мономерни молекули, от които се синтезира полимерът - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността се подреждат и фиксират върху матрицата в строго определен, предварително определен ред.

Тогава идва "омрежване" на мономерни единици в полимерна верига, и готовият полимер се изпуска от матрицата.

След това готова матрицакъм сглобяването на нова полимерна молекула. Ясно е, че както само една монета, една буква може да бъде отлята върху даден калъп, така и само един полимер може да бъде "сглобен" върху дадена матрична молекула.

Матричен тип реакции- специфична особеност на химията на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всички живи същества - способността му да възпроизвежда себеподобните си.

Реакции на матричен синтез

1. репликация на ДНК - репликация (от лат. replicatio - подновяване) - процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина върху матрицата на родителската ДНК молекула. По време на последващото делене на майчината клетка всяка дъщерна клетка получава едно копие на ДНК молекула, която е идентична с ДНК на оригиналната майчина клетка. Този процес гарантира точното предаване на генетична информация от поколение на поколение. Репликацията на ДНК се осъществява от сложен ензимен комплекс, състоящ се от 15-20 различни протеина, т.нар. репликома . Материалът за синтеза е свободните нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките. Биологичният смисъл на репликацията се състои в точния трансфер на наследствена информация от родителската молекула към дъщерните, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.

Молекулата на ДНК се състои от две допълващи се вериги. Тези вериги се държат заедно чрез слаби водородни връзки, които могат да бъдат разкъсани от ензими. Молекулата на ДНК е способна на самоудвояване (репликация) и върху всяка стара половина на молекулата се синтезира нова половина от нея.
В допълнение, молекула иРНК може да бъде синтезирана върху молекула ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, до мястото на синтез на протеини.

Трансферът на информация и протеиновият синтез следват матричен принцип, сравним с работата на печатарска преса в печатница. Информацията от ДНК се копира отново и отново. Ако възникнат грешки по време на копирането, те ще се повторят във всички следващи копия.

Вярно е, че някои грешки при копиране на информация от ДНК молекула могат да бъдат коригирани - процесът на елиминиране на грешки се нарича репарации. Първата от реакциите в процеса на пренос на информация е репликацията на ДНК молекулата и синтеза на нови ДНК вериги.

2. Транскрипция (от латински transcriptio - пренаписване) - процесът на синтез на РНК с помощта на ДНК като матрица, протичащ във всички живи клетки. С други думи, това е трансфер на генетична информация от ДНК към РНК.

Транскрипцията се катализира от ензима ДНК-зависима РНК полимераза. РНК полимеразата се движи по дължината на ДНК молекулата в посока 3 " → 5". Транскрипцията се състои от стъпки начало, удължаване и завършване . Единицата на транскрипция е оперонът, фрагмент от ДНК молекулата, състоящ се от промотор, транскрибирана част и терминатор . i-RNA се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност с участието на ензим, който активира началото и края на синтеза на i-RNA молекулата.

Готовата молекула на иРНК навлиза в цитоплазмата на рибозомите, където се извършва синтеза на полипептидни вериги.

3. Излъчване (от лат. превод- трансфер, движение) - процесът на синтез на протеини от аминокиселини върху матрицата на информационната (матрична) РНК (иРНК, иРНК), извършвана от рибозомата. С други думи, това е процесът на транслиране на информацията, съдържаща се в нуклеотидната последователност на i-RNA в последователността от аминокиселини в полипептида.

4. обратна транскрипция е процес на образуване на двойноверижна ДНК въз основа на информация от едноверижна РНК. Този процес се нарича обратна транскрипция, тъй като трансферът на генетична информация се извършва в "обратна" посока спрямо транскрипцията. Идеята за обратна транскрипция първоначално беше много непопулярна, тъй като противоречи на централната догма на молекулярната биология, която приема, че ДНК се транскрибира в РНК и след това се превежда в протеини.

Въпреки това през 1970 г. Темин и Балтимор независимо един от друг откриват ензим, наречен обратна транскриптаза (ревертаза) , и възможността за обратна транскрипция най-накрая беше потвърдена. През 1975 г. Темин и Балтимор получават Нобелова награда за физиология или медицина. Някои вируси (като вируса на човешката имунна недостатъчност, който причинява HIV инфекция) имат способността да транскрибират РНК в ДНК. ХИВ има РНК геном, който се интегрира в ДНК. В резултат на това ДНК на вируса може да се комбинира с генома на клетката гостоприемник. Основният ензим, отговорен за синтеза на ДНК от РНК, се нарича ревертаза. Една от функциите на reversease е да създава комплементарна ДНК (cDNA) от вирусния геном. Свързаният ензим рибонуклеаза разцепва РНК, а реверсетазата синтезира кДНК от двойната спирала на ДНК. cDNA се интегрира в генома на клетката гостоприемник чрез интеграза. Резултатът е синтез на вирусни протеини от клетката гостоприемниккоито образуват нови вируси. При ХИВ се програмира и апоптоза (клетъчна смърт) на Т-лимфоцитите. В други случаи клетката може да остане разпространител на вируси.

Последователността на матричните реакции в протеиновата биосинтеза може да бъде представена като диаграма.

По този начин, протеинова биосинтеза- това е един от видовете пластичен обмен, при който наследствената информация, кодирана в гените на ДНК, се реализира в определена последователност от аминокиселини в протеиновите молекули.

Протеиновите молекули са по същество полипептидни веригиизградени от отделни аминокиселини. Но аминокиселините не са достатъчно активни, за да се свържат сами помежду си. Следователно, преди да се комбинират помежду си и да образуват протеинова молекула, аминокиселините трябва активирате . Това активиране става под действието на специални ензими.

В резултат на активирането аминокиселината става по-лабилна и под действието на същия ензим се свързва с t- РНК. Всяка аминокиселина съответства на строго специфичен t- РНК, който намира "своята" аминокиселина и издържав рибозомата.

Следователно рибозомата получава различни активирани аминокиселини, свързани с техните T- РНК. Рибозомата е като конвейерда сглоби протеинова верига от различни аминокиселини, влизащи в нея.

Едновременно с t-RNA, върху която "седи" собствената му аминокиселина, " сигнал» от ДНК, която се съдържа в ядрото. В съответствие с този сигнал в рибозомата се синтезира един или друг протеин.

Насочващото влияние на ДНК върху протеиновия синтез не се осъществява директно, а с помощта на специален посредник - матрицаили информационна РНК (mRNAили i-RNA), който синтезирани в ядротоТой не се влияе от ДНК, така че неговият състав отразява състава на ДНК. Молекулата на РНК е, така да се каже, отливка от формата на ДНК. Синтезираната иРНК навлиза в рибозомата и като че ли я прехвърля в тази структура план- в какъв ред трябва да се комбинират активираните аминокиселини, влизащи в рибозомата, за да се синтезира определен протеин. В противен случай, генетичната информация, кодирана в ДНК, се прехвърля в иРНК и след това в протеин.

Молекулата на иРНК навлиза в рибозомата и миганея. Определя се този негов сегмент, който в момента е в рибозомата кодон (триплет), взаимодейства по напълно специфичен начин с подходяща за него структура триплет (антикодон)в трансферната РНК, която пренася аминокиселината в рибозомата.

Трансферната РНК със своята аминокиселина се доближава до определен кодон на иРНК и свързвас него; към следващия, съседен сайт на i-RNA свързва друга тРНК с различна аминокиселинаи така нататък, докато се прочете цялата i-RNA верига, докато всички аминокиселини не бъдат нанизани в съответния ред, образувайки протеинова молекула. И t-RNA, която доставя аминокиселината до специфично място на полипептидната верига, освободен от своята аминокиселинаи излиза от рибозомата.

След това отново в цитоплазмата желаната аминокиселина може да се присъедини към нея и тя отново ще я прехвърли към рибозомата. В процеса на синтез на протеини, не една, а няколко рибозоми, полирибозоми, участват едновременно.

Основните етапи на трансфера на генетична информация:

1. Синтез върху ДНК като върху иРНК шаблон (транскрипция)
2. Синтез на полипептидната верига в рибозомите според програмата, съдържаща се в i-RNA (транслация) .

Етапите са универсални за всички живи същества, но времевите и пространствени отношения на тези процеси се различават при про- и еукариотите.

При прокариотитранскрипцията и транслацията могат да се появят едновременно, тъй като ДНК се намира в цитоплазмата. При еукариоттранскрипцията и транслацията са строго разделени в пространството и времето: синтезът на различни РНК се извършва в ядрото, след което молекулите на РНК трябва да напуснат ядрото, преминавайки през ядрената мембрана. След това РНК се транспортира в цитоплазмата до мястото на протеиновия синтез.

Генетичният код е система за записване на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина, базирана на определено редуване на нуклеотидни последователности в ДНК или РНК, които образуват кодони, съответстващи на аминокиселините в протеина.

Свойства на генетичния код.

Генетичният код има няколко свойства.

Тройност.

Дегенерация или излишък.

Еднозначност.

Полярност.

Не препокриващи се.

Компактност.

Универсалност.

Трябва да се отбележи, че някои автори предлагат и други свойства на кода, свързани с химичните особености на нуклеотидите, включени в кода или с честотата на срещане на отделните аминокиселини в протеините на тялото и др. Тези свойства обаче следват от горното, така че ще ги разгледаме там.

а. Тройност. Генетичният код, подобно на много сложно организирани системи, има най-малката структурна и най-малката функционална единица. Триплетът е най-малката структурна единица на генетичния код. Състои се от три нуклеотида. Кодонът е най-малката функционална единица на генетичния код. По правило иРНК триплетите се наричат ​​кодони. В генетичния код кодонът изпълнява няколко функции. Първо, основната му функция е, че кодира една аминокиселина. Второ, кодонът може да не кодира аминокиселина, но в този случай той има различна функция (виж по-долу). Както се вижда от определението, триплетът е понятие, което характеризира елементарен структурна единицагенетичен код (три нуклеотида). кодонът характеризира елементарна семантична единицагеном - три нуклеотида определят прикрепването към полипептидната верига на една аминокиселина.

Елементарната структурна единица първо беше дешифрирана теоретично, а след това съществуването й беше потвърдено експериментално. Наистина, 20 аминокиселини не могат да бъдат кодирани от един или два нуклеотида. последните са само 4. Три от четири нуклеотида дават 4 3 = 64 варианта, което повече от покрива броя на аминокиселините, присъстващи в живите организми (виж Таблица 1).

Комбинациите от нуклеотиди, представени в таблица 64, имат две характеристики. Първо, от 64-те варианта на триплетите, само 61 са кодони и кодират всяка аминокиселина, те се наричат сетивни кодони. Три тройки не кодират

аминокиселините a са стоп сигнали, отбелязващи края на транслацията. Има три такива тройки UAA, UAG, UGA, те също се наричат ​​"безсмислени" (безсмислени кодони). В резултат на мутация, която е свързана със замяната на един нуклеотид в триплет с друг, от сенс кодон може да възникне безсмислен кодон. Този вид мутация се нарича безсмислена мутация. Ако такъв стоп сигнал се формира вътре в гена (в неговата информационна част), то по време на синтеза на протеин на това място процесът постоянно ще се прекъсва - ще се синтезира само първата (преди стоп сигнала) част от протеина. Човек с такава патология ще изпитва липса на протеин и ще изпитва симптоми, свързани с тази липса. Например, този вид мутация е открита в гена, кодиращ бета веригата на хемоглобина. Синтезира се скъсена неактивна хемоглобинова верига, която бързо се разрушава. В резултат на това се образува молекула хемоглобин, лишена от бета верига. Ясно е, че такава молекула едва ли ще изпълни напълно задълженията си. Има сериозно заболяване, което се развива според вида на хемолитичната анемия (бета-нулева таласемия, от гръцката дума "Talas" - Средиземно море, където това заболяване е открито за първи път).

Механизмът на действие на стоп кодоните е различен от механизма на действие на сенс кодоните. Това следва от факта, че за всички кодони, кодиращи аминокиселини, са открити съответните тРНК. Не са намерени тРНК за безсмислени кодони. Следователно тРНК не участва в процеса на спиране на протеиновия синтез.

кодонАВГУСТ (понякога GUG в бактерии) не само кодира аминокиселината метионин и валин, но също така еинициатор на излъчване .

b. Дегенерация или излишък.

61 от 64 триплета кодират 20 аминокиселини. Такъв трикратен излишък на броя на триплетите над броя на аминокиселините предполага, че могат да се използват две опции за кодиране при трансфера на информация. Първо, не всички 64 кодона могат да участват в кодирането на 20 аминокиселини, а само 20, и второ, аминокиселините могат да бъдат кодирани от няколко кодона. Проучванията показват, че природата е използвала последния вариант.

Предпочитанието му е ясно. Ако само 20 от 64 триплетни варианта участват в кодирането на аминокиселини, тогава 44 триплета (от 64) ще останат некодиращи, т.е. безсмислени (безсмислени кодони). По-рано посочихме колко опасно за живота на клетката е трансформацията на кодиращия триплет в резултат на мутация в безсмислен кодон - това значително нарушава нормалната работа на РНК полимеразата, което в крайна сметка води до развитие на заболявания. В момента има три безсмислени кодона в нашия геном и сега си представете какво би се случило, ако броят на безсмислените кодони се увеличи с около 15 пъти. Ясно е, че в такава ситуация преходът на нормалните кодони към безсмислените кодони ще бъде неизмеримо по-висок.

Код, в който една аминокиселина е кодирана от няколко триплета, се нарича изроден или излишен. Почти всяка аминокиселина има няколко кодона. И така, аминокиселината левцин може да бъде кодирана от шест триплета - UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Валинът се кодира от четири триплета, фенилаланинът се кодира само от два триптофан и метионинкодиран от един кодон. Свойството, което е свързано със записването на една и съща информация с различни знаци, се нарича израждане.

Броят на кодоните, присвоени на една аминокиселина, корелира добре с честотата на срещане на аминокиселината в протеините.

И това най-вероятно не е случайно. Колкото по-висока е честотата на поява на аминокиселина в протеин, толкова по-често кодонът на тази аминокиселина присъства в генома, толкова по-голяма е вероятността от увреждане от мутагенни фактори. Следователно е ясно, че е по-вероятно мутирал кодон да кодира същата аминокиселина, ако е силно дегенерирал. От тези позиции израждането на генетичния код е механизъм, който предпазва човешкия геном от увреждане.

Трябва да се отбележи, че терминът дегенерация се използва в молекулярната генетика и в друг смисъл. Тъй като основната част от информацията в кодона пада върху първите два нуклеотида, основата в третата позиция на кодона се оказва малко важна. Това явление се нарича "дегенерация на третата база". Последната характеристика минимизира ефекта от мутациите. Например, известно е, че основната функция на червените кръвни клетки е транспортирането на кислород от белите дробове към тъканите и на въглероден диоксид от тъканите към белите дробове. Тази функция се осъществява от дихателния пигмент - хемоглобин, който изпълва цялата цитоплазма на еритроцита. Състои се от белтъчна част – глобин, която е кодирана от съответния ген. В допълнение към протеина, хемоглобинът съдържа хем, който съдържа желязо. Мутациите в глобиновите гени водят до появата на различни варианти на хемоглобини. Най-често мутациите са свързани с заместване на един нуклеотид с друг и появата на нов кодон в гена, който може да кодира нова аминокиселина в полипептидната верига на хемоглобина. В триплет, в резултат на мутация, всеки нуклеотид може да бъде заменен - ​​първи, втори или трети. Известно е, че няколкостотин мутации засягат целостта на глобиновите гени. Близо до 400 от които са свързани със замяната на единични нуклеотиди в гена и съответното аминокиселинно заместване в полипептида. От тях само 100 заместванията водят до нестабилност на хемоглобина и различни видове заболявания от леки до много тежки. 300 (приблизително 64%) заместващи мутации не засягат функцията на хемоглобина и не водят до патология. Една от причините за това е споменатата по-горе „дегенерация на третата база“, когато заместването на третия нуклеотид в триплета, кодиращ серин, левцин, пролин, аргинин и някои други аминокиселини, води до появата на синоним кодон кодираща същата аминокиселина. Фенотипно такава мутация няма да се прояви. Обратно, всяка замяна на първи или втори нуклеотид в триплет в 100% от случаите води до появата на нов вариант на хемоглобина. Но дори и в този случай може да няма тежки фенотипни нарушения. Причината за това е замяната на аминокиселина в хемоглобина с друга, подобна на първата по физикохимични свойства. Например, ако аминокиселина с хидрофилни свойства се замени с друга аминокиселина, но със същите свойства.

Хемоглобинът се състои от желязопорфиринова група на хема (към нея са прикрепени молекули кислород и въглероден диоксид) и протеин - глобин. Възрастен хемоглобин (HbA) съдържа две идентични - вериги и две - вериги. Молекула - веригата съдържа 141 аминокиселинни остатъка, - верига - 146, - и -вериги се различават по много аминокиселинни остатъци. Аминокиселинната последователност на всяка глобинова верига е кодирана от собствен ген. Генното кодиране - веригата е разположена на късото рамо на хромозома 16, -ген - в късото рамо на хромозома 11. Промяна в генното кодиране - хемоглобиновата верига на първия или втория нуклеотид почти винаги води до появата на нови аминокиселини в протеина, нарушаване на функциите на хемоглобина и сериозни последствия за пациента. Например, замяната на "C" в един от триплетите CAU (хистидин) с "U" ще доведе до появата на нов триплет UAU, кодиращ друга аминокиселина - тирозин.Фенотипно това ще се прояви в сериозно заболяване .. A подобна замяна в позиция 63 -веригата на хистидиновия полипептид към тирозина ще дестабилизира хемоглобина. Развива се заболяването метхемоглобинемия. Промяна, в резултат на мутация, на глутаминовата киселина до валин на 6-та позиция верига е причина за тежко заболяване – сърповидноклетъчна анемия. Нека не продължаваме тъжния списък. Отбелязваме само, че при замяна на първите два нуклеотида аминокиселината може да изглежда сходна по физикохимични свойства с предишната. По този начин заместването на 2-ри нуклеотид в един от триплетите, кодиращи глутаминовата киселина (GAA) в -верига на “Y” води до появата на нов триплет (GUA), кодиращ валин, а замяната на първия нуклеотид с “А” образува AAA триплет, кодиращ аминокиселината лизин. Глутаминовата киселина и лизинът са сходни по физикохимични свойства – и двата са хидрофилни. Валинът е хидрофобна аминокиселина. Следователно заместването на хидрофилната глутаминова киселина с хидрофобен валин значително променя свойствата на хемоглобина, което в крайна сметка води до развитие на сърповидно-клетъчна анемия, докато заместването на хидрофилната глутаминова киселина с хидрофилен лизин променя функцията на хемоглобина в по-малка степен - пациентите развиват лека форма на анемия. В резултат на замяната на третата база новият триплет може да кодира същите аминокиселини като предишния. Например, ако урацилът е заменен с цитозин в триплета CAH и се появи триплет CAC, тогава практически няма да бъдат открити фенотипни промени в човек. Това е разбираемо, т.к И двата триплета кодират една и съща аминокиселина, хистидин.

В заключение е уместно да се подчертае, че израждането на генетичния код и израждането на третата база от общобиологична позиция са защитни механизми, които са заложени в еволюцията в уникалната структура на ДНК и РНК.

в. Еднозначност.

Всеки триплет (с изключение на безсмислените) кодира само една аминокиселина. Така по посока кодон – аминокиселина генетичният код е еднозначен, по посока аминокиселина – кодон – двусмислен (изроден).

недвусмислен

кодон аминокиселина

изродени

И в този случай необходимостта от недвусмисленост в генетичния код е очевидна. В друг вариант, по време на транслацията на един и същи кодон, различни аминокиселини биха били вмъкнати в протеиновата верига и в резултат на това биха се образували протеини с различни първични структури и различни функции. Метаболизмът на клетката ще премине към режим на работа "един ген - няколко полипептида". Ясно е, че в такава ситуация регулаторната функция на гените би била напълно загубена.

ж. Полярност

Четенето на информация от ДНК и от иРНК става само в една посока. Полярността е от съществено значение за определяне на структури от по-висок порядък (вторични, третични и т.н.). По-рано говорихме за факта, че структурите от по-нисък порядък определят структури от по-висок порядък. Третичната структура и структурите от по-висок порядък в протеините се образуват незабавно, веднага щом синтезираната РНК верига се отдалечи от ДНК молекулата или полипептидната верига се отдалечи от рибозомата. Докато свободният край на РНК или полипептида придобива третична структура, другият край на веригата все още продължава да се синтезира върху ДНК (ако РНК се транскрибира) или рибозома (ако се транскрибира полипептид).

Следователно, еднопосочният процес на четене на информация (при синтеза на РНК и протеин) е от съществено значение не само за определяне на последователността на нуклеотидите или аминокиселините в синтезираното вещество, но и за твърдото определяне на вторични, третични и т.н. структури.

д. Неприпокриване.

Кодът може или не може да се припокрива. В повечето организми кодът не се припокрива. В някои фаги е открит припокриващ се код.

Същността на кода без припокриване е, че нуклеотидът на един кодон не може да бъде едновременно нуклеотид на друг кодон. Ако кодът се припокрива, тогава последователността от седем нуклеотида (GCUGCUG) може да кодира не две аминокиселини (аланин-аланин) (фиг. 33, A), както в случая на код без припокриване, а три (ако един нуклеотид е общ) (фиг. 33, B) или пет (ако два нуклеотида са общи) (вижте фиг. 33, C). В последните два случая мутация на който и да е нуклеотид би довела до нарушение в последователността на два, три и т.н. аминокиселини.

Установено е обаче, че мутация на един нуклеотид винаги нарушава включването на една аминокиселина в полипептида. Това е важен аргумент в полза на факта, че кодът не се припокрива.

Нека обясним това на Фигура 34. Удебелените линии показват триплети, кодиращи аминокиселини в случай на неприпокриващ се и припокриващ се код. Експериментите недвусмислено показват, че генетичният код не се припокрива. Без да навлизаме в подробностите на експеримента, отбелязваме, че ако заменим третия нуклеотид в нуклеотидната последователност (виж Фиг. 34)При (маркиран със звездичка) към някой друг след това:

1. С код без припокриване, протеинът, контролиран от тази последователност, ще има заместител на една (първа) аминокиселина (маркирана със звездички).

2. При припокриващ се код във вариант А, заместване ще настъпи в две (първа и втора) аминокиселини (маркирани със звездички). При вариант B, заместването ще засегне три аминокиселини (маркирани със звездички).

Многобройни експерименти обаче показват, че когато един нуклеотид в ДНК е счупен, протеинът винаги засяга само една аминокиселина, което е типично за код без припокриване.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

HCC HCC HCC UHC CUG HCC CUG UGC HCU CUG

*** *** *** *** *** ***

Аланин - Аланин Ala - Cys - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei

A B C

код без припокриване припокриващ се код

Ориз. 34. Схема, обясняваща наличието на незастъпващ се код в генома (обяснение в текста).

Неприпокриването на генетичния код е свързано с друго свойство - разчитането на информацията започва от определена точка - иницииращият сигнал. Такъв иницииращ сигнал в иРНК е кодонът, кодиращ AUG метионин.

Трябва да се отбележи, че човек все още има малък брой гени, които се отклоняват от общото правило и се припокриват.

д. Компактност.

Между кодоните няма препинателни знаци. С други думи, триплетите не са разделени един от друг, например с един безсмислен нуклеотид. Експериментално е доказано отсъствието на "препинателни знаци" в генетичния код.

и. Универсалност.

Кодът е един и същ за всички организми, живеещи на Земята. Директно доказателство за универсалността на генетичния код беше получено чрез сравняване на ДНК последователности със съответните протеинови последователности. Оказа се, че едни и същи набори от кодови стойности се използват във всички бактериални и еукариотни геноми. Има изключения, но не много.

Първите изключения от универсалността на генетичния код са открити в митохондриите на някои животински видове. Това се отнася до терминаторния кодон UGA, който се чете по същия начин като UGG кодона, кодиращ аминокиселината триптофан. Открити са и други по-редки отклонения от универсалността.

ДНК кодова система.

Генетичният код на ДНК се състои от 64 триплета нуклеотиди. Тези триплети се наричат ​​кодони. Всеки кодон кодира една от 20-те аминокиселини, използвани в протеиновия синтез. Това дава известна излишност в кода: повечето аминокиселини са кодирани от повече от един кодон.
Един кодон изпълнява две взаимосвързани функции: той сигнализира за началото на транслацията и кодира включването на аминокиселината метионин (Met) в нарастващата полипептидна верига. ДНК кодовата система е проектирана така, че генетичният код да може да бъде изразен или като РНК кодони, или като ДНК кодони. РНК кодоните се срещат в РНК (иРНК) и тези кодони могат да четат информация по време на синтеза на полипептиди (процес, наречен транслация). Но всяка молекула иРНК придобива нуклеотидна последователност при транскрипция от съответния ген.

Всички аминокиселини с изключение на две (Met и Trp) могат да бъдат кодирани от 2 до 6 различни кодона. Въпреки това, геномът на повечето организми показва, че някои кодони са предпочитани пред други. При хората, например, аланинът се кодира от GCC четири пъти по-често, отколкото в GCG. Това вероятно показва по-голяма транслационна ефективност на транслационния апарат (напр. рибозомата) за някои кодони.

Генетичният код е почти универсален. Едни и същи кодони са присвоени на един и същи участък от аминокиселини и едни и същи стартови и стоп сигнали са преобладаващо еднакви при животни, растения и микроорганизми. Въпреки това са открити някои изключения. Повечето от тях включват присвояване на един или два от трите стоп кодона на аминокиселина.

Те се подреждат във вериги и така се получават последователности от генетични букви.

Генетичен код

Протеините на почти всички живи организми са изградени само от 20 вида аминокиселини. Тези аминокиселини се наричат ​​канонични. Всеки протеин представлява верига или няколко вериги от аминокиселини, свързани в строго определена последователност. Тази последователност определя структурата на протеина и следователно всички негови биологични свойства.

CUU (Leu/L) Левцин
CUC (Leu/L) Левцин
CUA (Leu/L) Левцин
CUG (Leu/L) Левцин

В някои протеини нестандартни аминокиселини като селеноцистеин и пиролизин се вмъкват от рибозомата за четене на стоп кодон, което зависи от последователностите в иРНК. Селеноцистеинът сега се счита за 21-ва, а пиролизинът за 22-ра аминокиселина, която изгражда протеините.

Въпреки тези изключения, генетичният код на всички живи организми има общи черти: кодонът се състои от три нуклеотида, като първите два са определящи, кодоните се превеждат от tRNA и рибозомите в последователност от аминокиселини.

Историята на идеите за генетичния код

Въпреки това в началото на 60-те години на миналия век нови данни разкриват провала на хипотезата за „код без запетая“. Тогава експериментите показаха, че кодоните, смятани от Крик за безсмислени, могат да провокират синтез на протеини в епруветка и до 1965 г. беше установено значението на всичките 64 триплета. Оказа се, че някои кодони са просто излишни, тоест редица аминокиселини са кодирани от два, четири или дори шест триплета.

Вижте също

Бележки

1. Генетичният код поддържа целево вмъкване на две аминокиселини от един кодон. Туранов А.А., Лобанов А.В., Фоменко Д.Е., Морисън Х.Г., Согин М.Л., Клобътчер Л.А., Хатфийлд Д.Л., Гладишев В.Н. Наука. 9 януари 2009 г.;323(5911):259-61.
2. AUG кодонът кодира метионин, но също така служи като начален кодон - като правило транслацията започва от първия AUG кодон на иРНК.
3. NCBI: „Генетични кодове“, съставен от Анджей (Анджай) Елзановски и Джим Остел
4. Jukes TH, Osawa S, Генетичният код в митохондриите и хлоропластите., Experientia. 1990 г. 1 декември;46(11-12):1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (март 1992 г.). „Последни доказателства за еволюцията на генетичния код“. микробиол. Rev. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
6. САНГЪР Ф. (1952). „Подреждането на аминокиселините в протеините.“ Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
7. М. Ичасбиологичен код. - Свят, 1971г.
8. WATSON JD, CRICK FH. (април 1953 г.). «Молекулна структура на нуклеиновите киселини; структура за дезоксирибозна нуклеинова киселина.". Природата 171 : 737-738. PMID 13054692.
9. WATSON JD, CRICK FH. (май 1953 г.). "Генетични последици от структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина.". Природата 171 : 964-967. PMID 13063483.
10. Крик Ф.Х. (април 1966 г.). "Генетичният код - вчера, днес и утре." Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
11. Г. ГЪМОВ (февруари 1954 г.). „Възможна връзка между дезоксирибонуклеиновата киселина и протеиновите структури.“ Природата 173 : 318. DOI: 10.1038/173318a0 . PMID 13882203.
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). „Проблемът с трансфера на информация от нуклеиновите киселини към протеините.“. Adv Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
13. Gamow G, Ycas M. (1955). СТАТИСТИЧЕСКА КОРЕЛАЦИЯ НА СЪСТАВА НА ПРОТЕИН И РИБОНУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА. ". Proc Natl Acad Sci САЩ. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). КОДОВЕ БЕЗ ЗАПЕТАИ. ". Proc Natl Acad Sci САЩ. 43 : 416-421. PMID 16590032.
15. Хейс Б. (1998). „Изобретяването на генетичния код“. (PDF препечатка). американски учен 86 : 8-14.

Литература

• Азимов А. Генетичен код. От теорията на еволюцията до декодирането на ДНК. - М.: Центрполиграф, 2006. - 208 с - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ratner V. A. Генетичният код като система - Soros Educational Journal, 2000, 6, No. 3, стр. 17-22.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Обща природа на генетичния код за протеини - Nature, 1961 (192), pp. 1227-32

Връзки

• Генетичен код- статия от Голямата съветска енциклопедия

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Генетичният код е начин за кодиране на последователността от аминокиселини в протеинова молекула, използвайки последователността от нуклеотиди в молекула на нуклеинова киселина. Свойствата на генетичния код произтичат от характеристиките на това кодиране.

Всяка аминокиселина на протеин е свързана с три последователни нуклеотида на нуклеинова киселина - триплет, или кодон. Всеки от нуклеотидите може да съдържа една от четирите азотни бази. В РНК това са аденин (А), урацил (U), гуанин (G), цитозин (C). Чрез комбиниране на азотни бази по различни начини (в този случай нуклеотиди, които ги съдържат), можете да получите много различни триплети: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC и т.н. Общият брой възможни комбинации е 64, т.е. 43.

Протеините на живите организми съдържат около 20 аминокиселини. Ако природата е „замислила“ да кодира всяка аминокиселина не с три, а с два нуклеотида, тогава разнообразието от такива двойки не би било достатъчно, тъй като ще има само 16 от тях, т.е. 42.

По този начин, основното свойство на генетичния код е неговият триплет. Всяка аминокиселина е кодирана от триплет нуклеотиди.

Тъй като има значително повече възможни различни триплети от аминокиселините, използвани в биологичните молекули, такова свойство като съкращаванегенетичен код. Много аминокиселини започнаха да се кодират не от един кодон, а от няколко. Например аминокиселината глицин е кодирана от четири различни кодона: GGU, GGC, GGA, GGG. Излишъкът също се нарича израждане.

Съответствието между аминокиселините и кодоните е отразено под формата на таблици. Например тези:

По отношение на нуклеотидите генетичният код има следното свойство: уникалност(или специфичност): всеки кодон отговаря само на една аминокиселина. Например кодонът GGU може да кодира само глицин и никаква друга аминокиселина.

Отново. Излишъкът се отнася до факта, че няколко триплета могат да кодират една и съща аминокиселина. Специфичност - Всеки специфичен кодон може да кодира само една аминокиселина.

В генетичния код няма специални препинателни знаци (с изключение на стоп кодони, които показват края на синтеза на полипептид). Функцията на препинателни знаци се изпълнява от самите тройки - краят на един означава, че следващ ще започне друг. Това предполага следните две свойства на генетичния код: приемствености не препокриващи се. Непрекъснатостта се разбира като четене на тройки непосредствено една след друга. Неприпокриването означава, че всеки нуклеотид може да бъде част само от един триплет. Така че първият нуклеотид на следващия триплет винаги идва след третия нуклеотид на предишния триплет. Кодонът не може да започне от втория или третия нуклеотид на предходния кодон. С други думи, кодът не се припокрива.

Генетичният код има свойството универсалност. Тя е еднаква за всички организми на Земята, което показва единството на произхода на живота. Има много редки изключения от това. Например, някои триплети от митохондрии и хлоропласти кодират аминокиселини, различни от техните обичайни. Това може да означава, че в зората на развитието на живота е имало малко по-различни вариации на генетичния код.

И накрая, генетичният код има шумоустойчивост, което е следствие от свойството му като излишък. Точковите мутации, понякога възникващи в ДНК, обикновено водят до заместване на една азотна основа с друга. Това променя триплета. Например беше ААА, след мутацията стана ААГ. Такива промени обаче не винаги водят до промяна в аминокиселината в синтезирания полипептид, тъй като и двата триплета, поради свойството на излишъка на генетичния код, могат да съответстват на една аминокиселина. Като се има предвид, че мутациите са по-често вредни, свойството за устойчивост на шум е полезно.

Генетичният или биологичен код е едно от универсалните свойства на живата природа, доказващо единството на нейния произход. Генетичен код- това е метод за кодиране на аминокиселинната последователност на полипептид с помощта на нуклеотидна последователност на нуклеинова киселина (информативна РНК или комплементарна ДНК секция, върху която се синтезира иРНК).

Има и други определения.

Генетичен код- това е съответствието на всяка аминокиселина (която е част от живите протеини) на определена последователност от три нуклеотида. Генетичен коде връзката между базите на нуклеиновите киселини и протеиновите аминокиселини.

В научната литература под генетичен код не се разбира последователността от нуклеотиди в ДНК на който и да е организъм, която определя неговата индивидуалност.

Погрешно е да се приеме, че един организъм или вид има един код, а друг друг. Генетичният код е как аминокиселините се кодират от нуклеотиди (т.е. принцип, механизъм); той е универсален за всички живи същества, еднакъв за всички организми.

Ето защо е неправилно да се казва например „Генетичният код на човек“ или „Генетичният код на организъм“, което често се използва в почти научната литература и филми.

В тези случаи обикновено имаме предвид генома на човек, организъм и т.н.

Разнообразието на живите организми и характеристиките на тяхната жизнена дейност се дължи преди всичко на разнообразието на протеините.

Специфичната структура на протеина се определя от реда и количеството на различните аминокиселини, които съставляват неговия състав. Аминокиселинната последователност на пептида е криптирана в ДНК с помощта на биологичния код. От гледна точка на разнообразието на набора от мономери, ДНК е по-примитивна молекула от пептида. ДНК е разнообразие от редувания само на четири нуклеотида. Това отдавна не позволява на изследователите да разглеждат ДНК като материал на наследствеността.

Как аминокиселините се кодират от нуклеотиди

1) Нуклеиновите киселини (ДНК и РНК) са полимери, изградени от нуклеотиди.

Всеки нуклеотид може да включва една от четирите азотни бази: аденин (A, en: A), гуанин (G, G), цитозин (C, en: C), тимин (T, en: T). В случай на РНК, тиминът се заменя с урацил (Y, U).

При разглеждане на генетичния код се вземат предвид само азотните основи.

Тогава веригата на ДНК може да бъде представена като тяхната линейна последователност. Например:

Областта на иРНК, допълваща този код, ще бъде както следва:

2) Протеините (полипептидите) са полимери, състоящи се от аминокиселини.

В живите организми 20 аминокиселини се използват за изграждане на полипептиди (още няколко са много редки). За обозначаването им може да се използва и една буква (макар че по-често се използват три - съкращение за името на аминокиселината).

Аминокиселините в полипептида също са линейно свързани чрез пептидна връзка. Да предположим например, че има област от протеин със следната последователност от аминокиселини (всяка аминокиселина е обозначена с една буква):

3) Ако задачата е да се кодира всяка аминокиселина с помощта на нуклеотиди, тогава тя се свежда до това как да се кодират 20 букви с помощта на 4 букви.

Това може да стане чрез съпоставяне на буквите от 20-буквената азбука с думи, съставени от няколко букви от 4-буквената азбука.

Ако една аминокиселина е кодирана от един нуклеотид, тогава могат да бъдат кодирани само четири аминокиселини.

Ако всяка аминокиселина се свърже с два последователни нуклеотида във веригата на РНК, тогава могат да бъдат кодирани шестнадесет аминокиселини.

Наистина, ако има четири букви (A, U, G, C), тогава броят на техните различни двойки комбинации ще бъде 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), (UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC).

[Скоби се използват за удобство на възприятието.] Това означава, че само 16 различни аминокиселини могат да бъдат кодирани с такъв код (двубуквена дума): всяка ще има своя собствена дума (два последователни нуклеотида).

От математиката формулата за определяне на броя на комбинациите изглежда така: ab = n.

Тук n е броят на различните комбинации, a е броят на буквите от азбуката (или основата на числовата система), b е броят на буквите в дума (или цифри в число). Ако заместим 4-буквената азбука и думите, състоящи се от две букви в тази формула, получаваме 42 = 16.

Ако три последователни нуклеотида се използват като кодова дума за всяка аминокиселина, тогава могат да бъдат кодирани 43 = 64 различни аминокиселини, тъй като 64 различни комбинации могат да бъдат съставени от четири букви, взети в три (например AUG, GAA, CAU, GGU и др.).

д.). Това вече е повече от достатъчно за кодиране на 20 аминокиселини.

Точно трибуквеният код се използва в генетичния код. Наричат ​​се три последователни нуклеотида, които кодират една и съща аминокиселина триплет(или кодон).

Всяка аминокиселина е свързана със специфичен триплет от нуклеотиди.

В допълнение, тъй като комбинациите от триплети припокриват броя на аминокиселините, много аминокиселини са кодирани от множество триплети.

Три триплета не кодират нито една от аминокиселините (UAA, UAG, UGA).

Те отбелязват края на предаването и се извикват стоп кодони(или безсмислени кодони).

Триплетът AUG кодира не само аминокиселината метионин, но и инициира транслацията (играе ролята на стартов кодон).

По-долу са дадени таблици на съответствието на аминокиселините с нуклеотидните триплети.

Според първата таблица е удобно да се определи съответната аминокиселина от даден триплет. За второто - за дадена аминокиселина, съответните й триплети.

Помислете за пример за изпълнение на генетичния код. Нека има иРНК със следното съдържание:

Нека разделим последователността от нуклеотиди на триплети:

Нека сравним всеки триплет с аминокиселината на полипептида, кодиран от него:

Метионин - Аспарагинова киселина - Серин - Треонин - Триптофан - Левцин - Левцин - Лизин - Аспарагин - Глутамин

Последният триплет е стоп кодон.

Свойства на генетичния код

Свойствата на генетичния код до голяма степен са следствие от начина, по който се кодират аминокиселините.

Първото и очевидно свойство е триплетност.

Това се разбира като факт, че кодовата единица е последователност от три нуклеотида.

Важно свойство на генетичния код е неговата не препокриващи се. Нуклеотид, включен в един триплет, не може да бъде включен в друг.

Тоест, последователността AGUGAA може да се чете само като AGU-GAA, но не, например, така: AGU-GUG-GAA. Тоест, ако двойка GU е включена в един триплет, тя вече не може да бъде неразделна част от друга.

Под уникалностГенетичният код разбира, че всеки триплет съответства само на една аминокиселина.

Например триплетът AGU кодира аминокиселината серин и никоя друга аминокиселина.

Генетичен код

Този триплет уникално съответства само на една аминокиселина.

От друга страна, няколко триплета могат да съответстват на една аминокиселина. Например, същият серин, в допълнение към AGU, съответства на кодона AGC. Това свойство се нарича изражданегенетичен код.

Дегенерацията ви позволява да оставите много мутации безвредни, тъй като често заместването на един нуклеотид в ДНК не води до промяна в стойността на триплета. Ако погледнете внимателно таблицата на съответствието на аминокиселините с триплетите, можете да видите, че ако една аминокиселина е кодирана от няколко триплета, тогава те често се различават в последния нуклеотид, тоест може да бъде всичко.

Отбелязват се и някои други свойства на генетичния код (непрекъснатост, устойчивост на шум, универсалност и др.).

Устойчивостта като адаптация на растенията към условията на съществуване. Основните реакции на растенията към действието на неблагоприятни фактори.

Устойчивостта на растенията е способността да издържат на въздействието на екстремни фактори на околната среда (засушаване на почвата и въздуха).

Еднозначността на кода ge-not-ti-che-th се проявява във факта, че

Това свойство е развито в процеса на еволюцията и е генетично фиксирано. В райони с неблагоприятни условия се формират устойчиви декоративни форми и местни сортове културни растения - устойчиви на суша. Определено ниво на устойчивост, присъщо на растенията, се разкрива само при действието на екстремни фактори на околната среда.

В резултат на появата на такъв фактор започва фазата на дразнене - рязко отклонение от нормата на редица физиологични параметри и бързото им връщане към нормалното. Тогава има промяна в интензивността на метаболизма и увреждане на вътреклетъчните структури. При това се потискат всички синтетични, активират се всички хидролитични и общото енергоснабдяване на организма намалява. Ако ефектът на фактора не надвишава праговата стойност, започва фазата на адаптация.

Адаптираното растение реагира по-малко на повтарящо се или нарастващо излагане на екстремен фактор. На ниво организъм към механизмите на адаптация се добавя взаимодействието на m / y органи. Отслабването на потока на вода, минерални и органични съединения през растението засилва конкуренцията между органите и растежът им спира.

Определена биоустойчивост в растенията. max е стойността на екстремния фактор, при който растенията все още образуват жизнеспособни семена. Агрономическата устойчивост се определя от степента на намаляване на добива. Растенията се характеризират със своята устойчивост на специфичен вид екстремни фактори - зимуващи, газоустойчиви, солеустойчиви, устойчиви на суша.

Типовите кръгли червеи, за разлика от плоските червеи, имат първична телесна кухина - шизоцеле, образувана поради разрушаването на паренхима, който запълва празнините между стената на тялото и вътрешните органи - неговата функция е транспортна.

Поддържа хомеостазата. Формата на тялото е кръгла в диаметър. Интегументът е кутикуларен. Мускулатурата е представена от слой надлъжни мускули. Червата са от край до край и се състоят от 3 отдела: преден, среден и заден. Устният отвор е разположен на вентралната повърхност на предния край на тялото. Фаринксът има характерен триъгълен лумен. Отделителната система е представена от протонефридии или специална кожа - хиподермални жлези. Повечето видове са двудомни, само със сексуално размножаване.

Развитието е директно, рядко с метаморфоза. Имат постоянен клетъчен състав на тялото и им липсва способност за регенерация. Предното черво се състои от устна кухина, фаринкс и хранопровод.

Те нямат средна или задна част. Отделителната система се състои от 1-2 гигантски клетки на хиподермата. Надлъжните екскреторни канали лежат в страничните гребени на хиподермата.

Свойства на генетичния код. Доказателства за триплетния код. Дешифриране на кодони. Терминиращи кодони. Концепцията за генетично потискане.

Идеята, че информацията е кодирана в гена в първичната структура на протеина, е уточнена от F.

Крик в неговата хипотеза за последователност, според която последователността на генните елементи определя последователността на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига. Валидността на хипотезата за последователността се доказва от колинеарността на структурите на гена и кодирания от него полипептид. Най-значимото постижение през 1953 г. е идеята, че. Че кодът най-вероятно е триплет.

; ДНК базови двойки: A-T, T-A, G-C, C-G - могат да кодират само 4 аминокиселини, ако всяка двойка отговаря на една аминокиселина. Както знаете, в протеините има 20 основни аминокиселини. Ако приемем, че всяка аминокиселина съответства на 2 базови двойки, тогава могат да бъдат кодирани 16 аминокиселини (4 * 4) - това отново не е достатъчно.

Ако кодът е триплетен, тогава 64 кодона (4 * 4 * 4) могат да бъдат направени от 4 базови двойки, което е повече от достатъчно за кодиране на 20 аминокиселини. Крийк и неговите колеги приемат, че кодът е триплетен, че няма "запетая" между кодоните, т.е. разделящи знаци; четенето на кода в гена става от фиксирана точка в една посока. През лятото на 1961 г. Киренберг и Матеи съобщават за дешифрирането на първия кодон и предлагат метод за определяне на състава на кодоните в безклетъчна система за синтез на протеини.

И така, кодонът за фенилаланин беше дешифриран като UUU в иРНК. Освен това, в резултат на прилагането на методите, разработени от Корана, Ниренберг и Ледер през 1965 г.

е съставен кодов речник в съвременния му вид. По този начин получаването на мутации в Т4 фагите, причинени от делеция или добавяне на бази, е доказателство за триплетния код (свойство 1). Тези отпадания и добавки, водещи до изместване на рамката при „четене“ на кода, бяха елиминирани само чрез възстановяване на коректността на кода, което предотврати появата на мутанти. Тези експерименти също показаха, че триплетите не се припокриват, т.е. всяка основа може да принадлежи само на един триплет (Свойство 2).

Повечето аминокиселини имат повече от един кодон. Код, в който броят на аминокиселините е по-малък от броя на кодоните, се нарича изроден (свойство 3), т.е.

д. дадена аминокиселина може да бъде кодирана от повече от един триплет. В допълнение, три кодона изобщо не кодират никаква аминокиселина („безсмислени кодони“) и действат като „стоп сигнал“. Стоп кодонът е крайната точка на ДНК функционалната единица, цистрона. Терминиращите кодони са еднакви при всички видове и са представени като UAA, UAG, UGA. Забележителна характеристика на кода е, че той е универсален (свойство 4).

Във всички живи организми едни и същи триплети кодират едни и същи аминокиселини.

Съществуването на три вида мутантни кодони - терминатори и тяхното потискане е показано в E. coli и дрождите. Откриването на гени - супресори, "разбиращи" глупости - алели на различни гени, показва, че преводът на генетичния код може да се промени.

Мутациите, засягащи tRNA антикодона, променят тяхната специфичност на кодона и създават възможност за потискане на мутациите на ниво транслация. Потискането на нивото на транслацията може да възникне поради мутации в гените, кодиращи някои рибозомни протеини. В резултат на тези мутации рибозомата "греши" например при четенето на безсмислени кодони и ги "разбира" за сметка на някои немутантни тРНК. Наред с генотипното потискане, действащо на ниво транслация, е възможно и фенотипно потискане на безсмислени алели: с понижаване на температурата, с действието на аминогликозидни антибиотици, които се свързват с рибозоми, като стрептомицин, върху клетките.

22. Размножаване на висшите растения: вегетативно и безполово. Образуване на спори, структура на спори, равни и разноспорови Възпроизвеждането като свойство на живата материя, т.е. способността на индивида да поражда собствения си вид, съществува в ранните етапи на еволюцията.

Формите на размножаване могат да бъдат разделени на 2 вида: безполово и сексуално. Всъщност асексуалното размножаване се извършва без участието на зародишни клетки, с помощта на специализирани клетки - спори. Те се образуват в органите за безполово размножаване - спорангии в резултат на митотично делене.

Спората по време на покълването си възпроизвежда нов индивид, подобен на родителя, с изключение на спорите на семенните растения, при които спората е загубила функцията на възпроизвеждане и уреждане. Спорите могат да се образуват и чрез редукционно делене, като едноклетъчните спори се разпръскват.

Размножаването на растения с помощта на вегетативно (част от издънка, лист, корен) или разделяне на едноклетъчни водорасли наполовина се нарича вегетативно (луковица, резници).

Половото размножаване се осъществява от специални полови клетки - гамети.

Гаметите се образуват в резултат на мейозата, има женски и мъжки. В резултат на тяхното сливане се появява зигота, от която впоследствие се развива нов организъм.

Растенията се различават по видовете гамети. При някои едноклетъчни организми той функционира като гамета в определен момент. Разнополовите организми (гамети) се сливат - този полов процес се нарича хологамия.Ако мъжките и женските гамети са морфологично сходни, подвижни - това са изогамети.

И сексуалния процес изогамен. Ако женските гамети са малко по-големи и по-малко подвижни от мъжките гамети, тогава това са хетерогамети и процесът е хетерогамия. Оогамия – женските гамети са много големи и неподвижни, мъжките са малки и подвижни.

12345678910Напред ⇒

Генетичен код - съответствие между ДНК триплети и аминокиселини на протеини

Необходимостта от кодиране на структурата на протеините в линейната последователност на иРНК и ДНК нуклеотидите е продиктувана от факта, че по време на транслацията:

• няма съответствие между броя на мономерите в матрицата на иРНК и продукта - синтезирания протеин;
• няма структурно сходство между РНК и протеиновите мономери.

Това елиминира комплементарното взаимодействие между матрицата и продукта, принципът, по който се осъществява изграждането на нови ДНК и РНК молекули по време на репликация и транскрипция.

От това става ясно, че трябва да има "речник", който позволява да се открие коя нуклеотидна последователност на иРНК осигурява включването на аминокиселини в дадена последователност в протеина. Този „речник“ се нарича генетичен, биологичен, нуклеотиден или аминокиселинен код. Той ви позволява да кодирате аминокиселините, които изграждат протеините, като използвате специфична последователност от нуклеотиди в ДНК и иРНК. Има определени свойства.

Тройност.Един от основните въпроси при изясняване на свойствата на кода беше въпросът за броя на нуклеотидите, които трябва да определят включването на една аминокиселина в протеина.

Беше установено, че кодиращите елементи в кодирането на аминокиселинната последователност наистина са триплети от нуклеотиди, или тризнаци,които са наименувани "кодони".

Значение на кодоните.

Възможно е да се установи, че от 64 кодона включването на аминокиселини в синтезираната полипептидна верига кодира 61 триплета, а останалите 3 - UAA, UAG, UGA не кодират включването на аминокиселини в протеина и първоначално са били наречени безсмислени или безсмислени кодони. По-късно обаче беше показано, че тези триплети сигнализират завършването на транслацията и затова те станаха известни като терминиращи или стоп кодони.

иРНК кодоните и нуклеотидните триплети в кодиращата верига на ДНК с посока от 5' към 3'-края имат същата последователност от азотни бази, с изключение на това, че в ДНК вместо урацил (U), характерен за иРНК, е тимин (Т).

Специфичност.

Всеки кодон отговаря само на една специфична аминокиселина. В този смисъл генетичният код е строго еднозначен.

Таблица 4-3.

Еднозначността е едно от свойствата на генетичния код, проявяващо се във факта, че ...

Основните компоненти на системата за синтез на протеини

Бележки: elF( еукариотни инициационни фактори) са иницииращи фактори; eEF( еукариотни фактори на удължаване) са коефициенти на удължение; eRF ( еукариотни освобождаващи фактори) са фактори за прекратяване.

израждане. В иРНК и ДНК 61 триплета имат смисъл, всеки от които кодира включването на една от 20-те аминокиселини в протеина.

От това следва, че в информационните молекули включването на една и съща аминокиселина в протеина се определя от няколко кодона. Това свойство на биологичния код се нарича израждане.

При човека само 2 аминокиселини са криптирани с един кодон – Met и Tri, докато Leu, Ser и Apr – с шест кодона, а Ala, Val, Gli, Pro, Tre – с четири кодона (Таблица 1).

Излишъкът от кодиращи последователности е най-ценното свойство на кода, тъй като повишава устойчивостта на информационния поток към неблагоприятните въздействия на външната и вътрешната среда. При определяне на естеството на аминокиселина, която трябва да бъде включена в протеин, третият нуклеотид в кодона не е толкова важен, колкото първите два. Както се вижда от табл. 4-4, за много аминокиселини заместването на нуклеотида в третата позиция на кодона не влияе на неговото значение.

Линейност на записа на информация.

По време на транслацията кодоните на иРНК се „четат“ от фиксирана начална точка последователно и не се припокриват. В записа на информация няма сигнали, показващи края на един кодон и началото на следващия. AUG кодонът е начален и се чете както в началото, така и в други области на иРНК като Met. Следващите триплети се разчитат последователно без пропуски до стоп кодона, при който завършва синтезата на полипептидната верига.

Универсалност.

Доскоро се смяташе, че кодът е абсолютно универсален, т.е. значението на кодовите думи е еднакво за всички изследвани организми: вируси, бактерии, растения, земноводни, бозайници, включително хора.

По-късно обаче стана известно едно изключение, оказа се, че митохондриалната иРНК съдържа 4 триплета, които имат различно значение от това в иРНК с ядрен произход. Така в митохондриалната иРНК UGA триплетът кодира Tri, AUA кодовете за Met, а ACA и AGG се четат като допълнителни стоп кодони.

Колинеарност на ген и продукт.

При прокариотите е установено линейно съответствие между последователността на кодоните на гена и последователността на аминокиселините в протеиновия продукт или, както се казва, има колинеарност между гена и продукта.

Таблица 4-4.

Генетичен код

Бележки: U, урацил; С - цитозин; А - аденин; G, гуанин; * - терминиращ кодон.

При еукариотите базовите последователности в гена, ко-линейните аминокиселинни последователности в протеина, се прекъсват от интрони.

Следователно в еукариотните клетки аминокиселинната последователност на протеин е ко-линейна с последователността на екзоните в ген или зряла иРНК след пост-транскрипционно отстраняване на интрони.

Генетичният код, който също се нарича аминокиселинен код, е система за запис на информация за последователността на аминокиселините в протеин, използвайки последователността от нуклеотидни остатъци в ДНК, които съдържат една от 4-те азотни бази: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Въпреки това, тъй като двойноверижната спирала на ДНК не участва пряко в синтеза на протеина, който е кодиран от една от тези вериги (т.е. РНК), кодът е написан на езика на РНК, в който урацил (U) е включен вместо тимин. По същата причина е обичайно да се казва, че кодът е последователност от нуклеотиди, а не базови двойки.

Генетичният код се представя от определени кодови думи - кодони.

Първата кодова дума е дешифрирана от Nirenberg и Mattei през 1961 г. Те получават екстракт от E. coli, съдържащ рибозоми и други фактори, необходими за синтеза на протеини. Резултатът беше безклетъчна система за протеинов синтез, която можеше да сглоби протеин от аминокиселини, ако необходимата иРНК беше добавена към средата. Чрез добавяне на синтетична РНК, състояща се само от урацили, към средата, те установиха, че се образува протеин, състоящ се само от фенилаланин (полифенилаланин). Така беше установено, че триплетът от UUU нуклеотиди (кодон) съответства на фенилаланин. През следващите 5-6 години бяха определени всички кодони на генетичния код.

Генетичният код е вид речник, който превежда текст, написан с четири нуклеотида, в протеинов текст, написан с 20 аминокиселини. Останалите аминокиселини в протеина са модификации на една от 20-те аминокиселини.

Свойства на генетичния код

Генетичният код има следните свойства.

1. ТройностВсяка аминокиселина съответства на тройка нуклеотиди. Лесно е да се изчисли, че има 4 3 = 64 кодона. От тях 61 са семантични и 3 са безсмислени (терминиращи, стоп кодони).
2. Приемственост(няма разделителни знаци между нуклеотидите) - липса на интрагенни препинателни знаци;

   В рамките на един ген всеки нуклеотид е част от значим кодон. През 1961г Сиймор Бензер и Франсис Крик експериментално доказаха триплетния код и неговата непрекъснатост (компактност) [покажи]

   

   Същността на експеримента: "+" мутация - вмъкване на един нуклеотид. "-" мутация - загуба на един нуклеотид.

   Единична мутация ("+" или "-") в началото на гена или двойна мутация ("+" или "-") разваля целия ген.

   Тройна мутация ("+" или "-") в началото на гена разваля само част от гена.

   Четворна мутация "+" или "-" отново разваля целия ген.

   Експериментът беше проведен върху два съседни фагови гена и показа, че

   1. кодът е триплет и няма препинателни знаци вътре в гена
   2. между гените има препинателни знаци
3. Наличие на междугенни препинателни знаци- наличието сред триплетите на иницииращи кодони (те започват биосинтеза на протеини), кодони - терминатори (показват края на биосинтезата на протеини);

   Условно кодонът AUG също принадлежи към препинателните знаци - първият след водещата последователност. Изпълнява функцията на главна буква. В тази позиция той кодира формилметионин (в прокариотите).

   В края на всеки ген, кодиращ полипептид, има поне един от 3 терминиращи кодона или стоп сигнали: UAA, UAG, UGA. Прекратяват предаването.

4. Колинеарност- съответствие на линейната последователност на иРНК кодони и аминокиселини в протеина.
5. Специфичност- всяка аминокиселина отговаря само на определени кодони, които не могат да се използват за друга аминокиселина.
6. Еднопосочен- кодоните се четат в една посока - от първия нуклеотид към следващия
7. Дегенерация или излишък, - една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (аминокиселини - 20, възможни триплети - 64, 61 от тях са семантични, т.е. средно всяка аминокиселина съответства на около 3 кодона); изключение правят метионин (Met) и триптофан (Trp).

   Причината за израждането на кода е, че основното семантично натоварване се носи от първите два нуклеотида в триплета, а третият не е толкова важен. Оттук правило за израждане на кода : ако два кодона имат два идентични първи нуклеотида и техните трети нуклеотиди принадлежат към един и същи клас (пуринов или пиримидинов), тогава те кодират една и съща аминокиселина.

   Има обаче две изключения от това идеално правило. Това са кодонът AUA, който трябва да съответства не на изолевцин, а на метионин, и кодонът UGA, който е терминаторът, докато трябва да съответства на триптофан. Израждането на кода очевидно има адаптивна стойност.

8. Универсалност- всички свойства на генетичния код, изброени по-горе, са характерни за всички живи организми.

   кодон	Универсален код	Митохондриални кодове
   		Гръбначни	Безгръбначни	мая	растения
   UGA	СПРИ СЕ	trp	trp	trp	СПРИ СЕ
   БЗНС	ile	Мет	Мет	Мет	ile
   CUA	лев	лев	лев	Thr	лев
   AGA	Арг	СПРИ СЕ	сер	Арг	Арг
   AGG	Арг	СПРИ СЕ	сер	Арг	Арг

   Напоследък принципът на универсалността на кода беше разклатен във връзка с откритието от Берел през 1979 г. на идеалния код на човешките митохондрии, в който е изпълнено правилото за дегенерация на кода. В митохондриалния код кодонът UGA съответства на триптофан и AUA на метионин, както се изисква от правилото за дегенерация на кода.

   Може би в началото на еволюцията всички най-прости организми са имали същия код като митохондриите, а след това са претърпели леки отклонения.

9. не препокриващи се- всеки от триплетите на генетичния текст е независим един от друг, един нуклеотид е част само от един триплет; На фиг. показва разликата между припокриващ се и неприпокриващ се код.

   През 1976г φX174 фагова ДНК беше секвенирана. Има едноверижна кръгова ДНК от 5375 нуклеотида. Известно е, че фагът кодира 9 протеина. За 6 от тях са идентифицирани гени, разположени един след друг.

   Оказа се, че има припокриване. Генът E е изцяло в рамките на гена D. Неговият начален кодон се появява в резултат на едно нуклеотидно изместване в разчитането. Генът J започва там, където свършва генът D. Стартовият кодон на гена J се припокрива със стоп кодона на гена D чрез изместване от два нуклеотида. Дизайнът се нарича "изместване на рамката за четене" с брой нуклеотиди, който не е кратен на три. Към днешна дата припокриването е показано само за няколко фаги.

10. Устойчивост на шум- отношението на броя на консервативните замествания към броя на радикалните замествания.

    Мутации на нуклеотидни замествания, които не водят до промяна в класа на кодираната аминокиселина, се наричат ​​консервативни. Мутации на нуклеотидни замествания, които водят до промяна в класа на кодираната аминокиселина, се наричат ​​радикални.

    Тъй като една и съща аминокиселина може да бъде кодирана от различни триплети, някои замествания в триплетите не водят до промяна в кодираната аминокиселина (например UUU -> UUC оставя фенилаланин). Някои замествания променят една аминокиселина с друга от същия клас (неполярни, полярни, основни, киселинни), други замествания също променят класа на аминокиселината.

    Във всеки триплет могат да се направят 9 единични замествания, т.е. можете да изберете коя от позициите да промените - по три начина (1-ва или 2-ра или 3-та), като избраната буква (нуклеотид) може да бъде сменена на 4-1 = 3 други букви (нуклеотиди). Общият брой възможни нуклеотидни замествания е 61 на 9 = 549.

    Чрез директно преброяване на таблицата на генетичния код може да се провери, че от тези: 23 нуклеотидни замествания водят до появата на кодони - терминатори на транслацията. 134 замествания не променят кодираната аминокиселина. 230 замествания не променят класа на кодираната аминокиселина. 162 замествания водят до промяна в класа на аминокиселините, т.е. са радикални. От 183 замествания на 3-ти нуклеотид 7 водят до появата на терминатори на транслацията, а 176 са консервативни. От 183 замествания на 1-ви нуклеотид 9 водят до появата на терминатори, 114 са консервативни и 60 са радикални. От 183 замествания на 2-ри нуклеотид 7 водят до появата на терминатори, 74 са консервативни и 102 са радикални.