Dlaczego kod genetyczny jest uniwersalny? Biosynteza białek i kwasów nukleinowych

W metabolizmie organizmu Wiodącą rolę należy do białek i kwasów nukleinowych.
Substancje białkowe stanowią podstawę wszystkich ważnych struktur komórkowych, mają niezwykle wysoką reaktywność i są wyposażone w funkcje katalityczne.
Kwasy nukleinowe wchodzą w skład najważniejszego narządu komórki - jądra, a także cytoplazmy, rybosomów, mitochondriów itp. Kwasy nukleinowe odgrywają ważną, podstawową rolę w dziedziczności, zmienności organizmu i syntezie białek.

Plan synteza białko magazynowane jest w jądrze komórkowym, a bezpośrednia synteza zachodzi poza jądrem, więc jest konieczna Dostawa zakodowane plan z jądra do miejsca syntezy. Ta usługa dostarczania jest wykonywana przez cząsteczki RNA.

Proces rozpoczyna się o godz rdzeń komórki: część „drabiny” DNA rozwija się i otwiera. Dzięki temu litery RNA tworzą wiązania z otwartymi literami DNA jednej z nici DNA. Enzym przenosi litery RNA, aby połączyć je w nić. W ten sposób litery DNA są „przepisywane” na litery RNA. Nowo utworzony łańcuch RNA zostaje rozdzielony, a „drabina” DNA ponownie się skręca. Nazywa się proces odczytywania informacji z DNA i syntezy jej przy użyciu jego matrycy RNA transkrypcja , a zsyntetyzowany RNA nazywany jest przekaźnikiem lub mRNA .

Po dalszych modyfikacjach ten typ kodowanego mRNA jest gotowy. mRNA wychodzi z jądra i trafia do miejsca syntezy białka, gdzie rozszyfrowane są litery mRNA. Każdy zestaw trzech liter i-RNA tworzy „literę”, która reprezentuje jeden konkretny aminokwas.

Inny rodzaj RNA znajduje ten aminokwas, wychwytuje go za pomocą enzymu i dostarcza do miejsca syntezy białka. Ten RNA nazywany jest transferowym RNA lub t-RNA. W miarę odczytywania i translacji wiadomości mRNA łańcuch aminokwasów rośnie. Łańcuch ten skręca się i składa w unikalny kształt, tworząc jeden rodzaj białka. Nawet proces zwijania białek jest niezwykły: do obliczenia wszystkiego potrzebny jest komputer opcje złożenie białka średniej wielkości składającego się ze 100 aminokwasów zajęłoby 1027 (!) lat. Utworzenie w organizmie łańcucha 20 aminokwasów zajmuje nie więcej niż jedną sekundę, a proces ten zachodzi w sposób ciągły we wszystkich komórkach organizmu.

Geny, kod genetyczny i jego właściwości.

Na Ziemi żyje około 7 miliardów ludzi. Oprócz 25-30 milionów par identycznych bliźniaków, genetycznie wszyscy ludzie są inni : każdy jest wyjątkowy, ma unikalne cechy dziedziczne, cechy charakteru, zdolności i temperament.

Różnice te zostały wyjaśnione różnice w genotypach- zestawy genów organizmu; Każdy jest wyjątkowy. Ucieleśnione są cechy genetyczne konkretnego organizmu w białkach - dlatego struktura białka jednej osoby różni się, choć bardzo nieznacznie, od białka innej osoby.

To nie znaczyże nie ma dwóch osób o dokładnie takich samych białkach. Białka spełniające te same funkcje mogą być takie same lub różnić się od siebie tylko nieznacznie jednym lub dwoma aminokwasami. Ale nie istnieje na Ziemi ludzi (z wyjątkiem bliźniaków jednojajowych), którzy mieliby wszystkie swoje białka są takie same .

Informacje o strukturze pierwotnej białka kodowany jako sekwencja nukleotydów w odcinku cząsteczki DNA, gen – jednostka dziedzicznej informacji organizmu. Każda cząsteczka DNA zawiera wiele genów. Stanowi ją ogół wszystkich genów organizmu genotyp . Zatem,

Gen to jednostka dziedzicznej informacji organizmu, która odpowiada oddzielnej części DNA

Kodowanie informacji dziedzicznych odbywa się za pomocą kod genetyczny , który jest uniwersalny dla wszystkich organizmów i różni się jedynie naprzemiennością nukleotydów tworzących geny i kodujących białka określonych organizmów.

Kod genetyczny składa się z tripletów (tripletów) nukleotydów DNA, połączonych w różne sekwencje (AAT, HCA, ACG, THC itp.), z których każda koduje konkretny aminokwas (który zostanie wbudowany w łańcuch polipeptydowy).

Faktycznie kod liczy sekwencja nukleotydów w cząsteczce mRNA , ponieważ usuwa informację z DNA (proces transkrypcje ) i przekłada go na sekwencję aminokwasów w cząsteczkach syntetyzowanych białek (proces transmisje ).
Skład mRNA obejmuje nukleotydy A-C-G-U, których trójki nazywane są kodony : triplet na DNA CGT na i-RNA stanie się tripletem GCA, a triplet DNA AAG stanie się tripletem UUC. Dokładnie kodony mRNA kod genetyczny znajduje odzwierciedlenie w zapisie.

Zatem, kod genetyczny - ujednolicony system zapisu informacji dziedzicznej w cząsteczkach kwasu nukleinowego w postaci sekwencji nukleotydów . Kod genetyczny opiera się na zastosowaniu alfabetu składającego się jedynie z czterech liter-nukleotydów, wyróżnionych zasadami azotowymi: A, T, G, C.

Podstawowe właściwości kodu genetycznego:

1. Kod genetyczny tryplet. Triplet (kodon) to sekwencja trzech nukleotydów kodujących jeden aminokwas. Ponieważ białka zawierają 20 aminokwasów, oczywiste jest, że każdy z nich nie może być kodowany przez jeden nukleotyd ( Ponieważ w DNA są tylko cztery rodzaje nukleotydów, w tym przypadku 16 aminokwasów pozostaje niekodowanych). Dwa nukleotydy również nie wystarczą do kodowania aminokwasów, ponieważ w tym przypadku można zakodować tylko 16 aminokwasów. Oznacza to, że najmniejsza liczba nukleotydów kodujących jeden aminokwas musi wynosić co najmniej trzy. W tym przypadku liczba możliwych trójek nukleotydów wynosi 43 = 64.

2. Redundancja (degeneracja) Kod jest konsekwencją jego trypletowego charakteru i oznacza, że ​​jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek (ponieważ jest 20 aminokwasów i 64 trójki), z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, które są kodowane tylko przez jedną trójkę. Ponadto niektóre triplety pełnią określone funkcje: w cząsteczce mRNA triplety UAA, UAG, UGA są kodonami stop, tj. zatrzymywać się-sygnały zatrzymujące syntezę łańcucha polipeptydowego. Trójka odpowiadająca metioninie (AUG), znajdująca się na początku łańcucha DNA, nie koduje aminokwasu, lecz pełni funkcję inicjującą (ekscytującą) lekturę.

3. Jednoznaczność kod - jednocześnie z redundancją kod ma właściwość jednoznaczność : tylko każdy kodon pasuje jeden określony aminokwas.

4. Współliniowość kod, tj. sekwencja nukleotydów w genie Dokładnie odpowiada sekwencji aminokwasów w białku.

5. Kod genetyczny niezachodzące na siebie i zwarte , tj. nie zawiera „znaków interpunkcyjnych”. Oznacza to, że proces odczytu nie dopuszcza możliwości nakładania się kolumn (tripletów) i począwszy od określonego kodonu, odczyt przebiega w sposób ciągły, triplet po triplecie, aż do zatrzymywać się-sygnały ( kodony stop).

6. Kod genetyczny uniwersalny , tj. geny jądrowe wszystkich organizmów kodują informację o białkach w ten sam sposób, niezależnie od poziomu organizacji i systematycznej pozycji tych organizmów.

Istnieć tablice kodu genetycznego do odszyfrowania kodony mRNA i budowa łańcuchów cząsteczek białek.

Reakcje syntezy macierzy.

Reakcje nieznane w przyrodzie nieożywionej zachodzą w układach żywych - reakcje syntezy matrycy.

Termin „matryca” w technologii oznaczają formę służącą do odlewania monet, medali i czcionek typograficznych: hartowany metal dokładnie odwzorowuje wszystkie szczegóły formy używanej do odlewania. Synteza macierzy przypomina odlewanie na matrycy: nowe cząsteczki syntetyzowane są dokładnie według planu zapisanego w strukturze istniejących cząsteczek.

Zasada matrycy kłamie u źródła najważniejsze reakcje syntetyczne komórki, takie jak synteza kwasów nukleinowych i białek. Reakcje te zapewniają dokładną, ściśle określoną sekwencję jednostek monomeru w syntetyzowanych polimerach.

Tu mają miejsce działania kierunkowe. ciągnięcie monomerów w określone miejsce komórki - na cząsteczki, które służą jako matryca, w której zachodzi reakcja. Gdyby takie reakcje zachodziły w wyniku przypadkowych zderzeń cząsteczek, przebiegałyby nieskończenie wolno. Synteza złożonych cząsteczek w oparciu o zasadę matrycy odbywa się szybko i dokładnie. Rola matrycy makrocząsteczki kwasów nukleinowych biorą udział w reakcjach matrixu DNA lub RNA .

Cząsteczki monomeryczne z których syntetyzowany jest polimer – nukleotydy lub aminokwasy – zgodnie z zasadą komplementarności, są umiejscowione i utrwalone na matrycy w ściśle określonej, określonej kolejności.

Wtedy to się dzieje „sieciowanie” jednostek monomeru w łańcuch polimeru i gotowy polimer wyładowuje się z matrycy.

Po tym matryca jest gotowa do złożenia nowej cząsteczki polimeru. Jasne jest, że tak jak na daną formę można odlać tylko jedną monetę lub jedną literę, tak na daną cząsteczkę matrycy można „złożyć” tylko jeden polimer.

Typ reakcji matrycy- specyficzna cecha chemii układów żywych. Stanowią podstawę podstawowej właściwości wszystkich żywych istot - ich zdolności do reprodukcji własnego rodzaju.

Reakcje syntezy szablonów

1. replikacja DNA - replikacja (z łac. replikacja - odnowienie) - proces syntezy cząsteczki potomnej kwasu dezoksyrybonukleinowego na matrixie cząsteczki macierzystego DNA. Podczas kolejnego podziału komórki macierzystej każda komórka potomna otrzymuje jedną kopię cząsteczki DNA, która jest identyczna z DNA pierwotnej komórki macierzystej. Proces ten zapewnia dokładne przekazywanie informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie. Replikacja DNA odbywa się za pomocą złożonego kompleksu enzymatycznego składającego się z 15-20 różnych białek, tzw miły . Materiałem do syntezy są wolne nukleotydy obecne w cytoplazmie komórek. Biologiczne znaczenie replikacji polega na dokładnym przekazaniu informacji dziedzicznej z cząsteczki macierzystej do cząsteczek potomnych, co zwykle zachodzi podczas podziału komórek somatycznych.

Cząsteczka DNA składa się z dwóch komplementarnych nici. Łańcuchy te są utrzymywane razem przez słabe wiązania wodorowe, które mogą zostać rozerwane przez enzymy. Cząsteczka DNA jest zdolna do samoduplikacji (replikacji), a na każdej starej połowie cząsteczki syntetyzowana jest nowa połowa.
Ponadto cząsteczkę mRNA można zsyntetyzować na cząsteczce DNA, która następnie przekazuje informację otrzymaną z DNA do miejsca syntezy białka.

Przekazywanie informacji i synteza białek przebiegają według zasady matrycy, porównywalnej do pracy prasy drukarskiej w drukarni. Informacje z DNA są kopiowane wielokrotnie. Jeśli podczas kopiowania wystąpią błędy, będą one powtarzane we wszystkich kolejnych kopiach.

To prawda, że ​​​​niektóre błędy podczas kopiowania informacji za pomocą cząsteczki DNA można poprawić - nazywa się to procesem eliminacji błędów naprawa. Pierwszą z reakcji w procesie przekazywania informacji jest replikacja cząsteczki DNA i synteza nowych łańcuchów DNA.

2. Transkrypcja (z łac. transkrypcja – przepisywanie) – proces syntezy RNA z wykorzystaniem DNA jako matrycy, zachodzący we wszystkich żywych komórkach. Inaczej mówiąc, jest to transfer informacji genetycznej z DNA na RNA.

Transkrypcja jest katalizowana przez enzym polimerazę RNA zależną od DNA. Polimeraza RNA porusza się wzdłuż cząsteczki DNA w kierunku 3” → 5”. Transkrypcja składa się z etapów inicjacja, elongacja i terminacja . Jednostką transkrypcji jest operon, fragment cząsteczki DNA składający się z promotor, część transkrybowana i terminator . mRNA składa się z pojedynczego łańcucha i jest syntetyzowany na DNA zgodnie z zasadą komplementarności przy udziale enzymu, który aktywuje początek i koniec syntezy cząsteczki mRNA.

Gotowa cząsteczka mRNA przedostaje się do cytoplazmy na rybosomy, gdzie następuje synteza łańcuchów polipeptydowych.

3. Audycja (z łac. tłumaczenie- transfer, ruch) - proces syntezy białek z aminokwasów na matrycy informacyjnego (posłańca) RNA (mRNA, mRNA), prowadzony przez rybosom. Inaczej mówiąc, jest to proces tłumaczenia informacji zawartej w sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów w polipeptydzie.

4. Transkrypcja odwrotna to proces tworzenia dwuniciowego DNA na podstawie informacji z jednoniciowego RNA. Proces ten nazywa się odwrotną transkrypcją, ponieważ transfer informacji genetycznej następuje w kierunku „odwrotnym” w stosunku do transkrypcji. Idea odwrotnej transkrypcji była początkowo bardzo niepopularna, gdyż była sprzeczna z centralnym dogmatem biologii molekularnej, który zakładał, że DNA ulega transkrypcji na RNA, a następnie ulega translacji na białka.

Jednakże w 1970 roku Temin i Baltimore niezależnie odkryli enzym zwany odwrotna transkryptaza (rewertaza) i ostatecznie potwierdzono możliwość odwrotnej transkrypcji. W 1975 Temin i Baltimore otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Niektóre wirusy (takie jak ludzki wirus niedoboru odporności wywołujący zakażenie wirusem HIV) mają zdolność transkrypcji RNA na DNA. HIV ma genom RNA zintegrowany z DNA. W rezultacie DNA wirusa można połączyć z genomem komórki gospodarza. Główny enzym odpowiedzialny za syntezę DNA z RNA nazywa się odwrócenie. Jedną z funkcji Reversase jest tworzenie komplementarnego DNA (cDNA) z genomu wirusa. Powiązany enzym rybonukleaza rozszczepia RNA, a odwrotnaza syntetyzuje cDNA z podwójnej helisy DNA. cDNA jest integrowany z genomem komórki gospodarza za pomocą integrazy. Wynik to synteza białek wirusowych przez komórkę gospodarza, które tworzą nowe wirusy. W przypadku wirusa HIV programowana jest także apoptoza (śmierć komórek) limfocytów T. W innych przypadkach komórka może pozostać dystrybutorem wirusów.

Sekwencję reakcji matrycowych podczas biosyntezy białek można przedstawić w formie diagramu.

Zatem, biosynteza białek- jest to jeden z rodzajów wymiany plastycznej, podczas której informacja dziedziczna zakodowana w genach DNA zostaje wdrożona w określoną sekwencję aminokwasów w cząsteczkach białka.

Zasadniczo są to cząsteczki białka łańcuchy polipeptydowe zbudowane z pojedynczych aminokwasów. Ale aminokwasy nie są wystarczająco aktywne, aby łączyć się ze sobą samodzielnie. Dlatego zanim połączą się ze sobą i utworzą cząsteczkę białka, muszą to być aminokwasy Aktywuj . Aktywacja ta następuje pod wpływem specjalnych enzymów.

W wyniku aktywacji aminokwas staje się bardziej labilny i pod działaniem tego samego enzymu wiąże się z t- RNA. Każdy aminokwas odpowiada ściśle określonemu t- RNA, który znajduje „swój” aminokwas i transfery go do rybosomu.

W związku z tym różne aktywowane aminokwasy w połączeniu z własnymi T- RNA. Rybosom jest podobny przenośnik do złożenia łańcucha białkowego z różnych dostarczonych mu aminokwasów.

Jednocześnie z t-RNA, na którym „siedzi” jego własny aminokwas, „ sygnał„z DNA zawartego w jądrze. Zgodnie z tym sygnałem w rybosomie syntetyzowane jest jedno lub drugie białko.

Kierujący wpływ DNA na syntezę białek nie odbywa się bezpośrednio, ale za pomocą specjalnego pośrednika - matryca Lub informacyjny RNA (m-RNA Lub mRNA), Który syntetyzowany w jądrze e pod wpływem DNA, więc jego skład odzwierciedla skład DNA. Cząsteczka RNA jest jak odlew formy DNA. Zsyntetyzowany mRNA wchodzi do rybosomu i niejako przenosi go do tej struktury plan- w jakiej kolejności należy połączyć ze sobą aktywowane aminokwasy wchodzące do rybosomu, aby doszło do syntezy konkretnego białka? W przeciwnym razie, informacja genetyczna zakodowana w DNA jest przenoszona na mRNA, a następnie na białko.

Cząsteczka mRNA wchodzi do rybosomu i szwy jej. Określany jest ten jego segment, który aktualnie znajduje się w rybosomie kodon (triplet), oddziałuje w zupełnie specyficzny sposób z tymi, które są do niego strukturalnie podobne triplet (antykodon) w transferowym RNA, który wprowadził aminokwas do rybosomu.

Transferowy RNA wraz z aminokwasem pasuje do określonego kodonu mRNA i łączy z nim; do następnej, sąsiedniej sekcji mRNA dodaje się kolejny tRNA z innym aminokwasem i tak dalej, aż zostanie odczytany cały łańcuch i-RNA, aż wszystkie aminokwasy zostaną zredukowane w odpowiedniej kolejności, tworząc cząsteczkę białka. Oraz tRNA, które dostarczyło aminokwas do określonej części łańcucha polipeptydowego, uwolniony od swojego aminokwasu i opuszcza rybosom.

Następnie ponownie w cytoplazmie pożądany aminokwas może się z nią połączyć i ponownie przenieść go do rybosomu. W procesie syntezy białek zaangażowanych jest jednocześnie nie jeden, ale kilka rybosomów – polirybosomów.

Główne etapy przekazywania informacji genetycznej:

1. Synteza DNA jako matrycy dla mRNA (transkrypcja)
2. Synteza łańcucha polipeptydowego w rybosomach zgodnie z programem zawartym w mRNA (translacja) .

Etapy są uniwersalne dla wszystkich żywych istot, ale czasowe i przestrzenne relacje tych procesów różnią się u pro- i eukariontów.

U prokariota transkrypcja i translacja mogą zachodzić jednocześnie, ponieważ DNA znajduje się w cytoplazmie. U eukarionty transkrypcja i translacja są ściśle oddzielone w przestrzeni i czasie: w jądrze zachodzi synteza różnych RNA, po czym cząsteczki RNA muszą opuścić jądro, przechodząc przez błonę jądrową. Następnie RNA są transportowane w cytoplazmie do miejsca syntezy białek.

Kod genetyczny to system zapisu informacji dziedzicznej w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, tworząc kodony odpowiadające aminokwasom w białku.

Właściwości kodu genetycznego.

Kod genetyczny ma kilka właściwości.

Potrójność.

Degeneracja lub redundancja.

Jednoznaczność.

Biegunowość.

Nie nakładające się.

Ścisłość.

Wszechstronność.

Należy zaznaczyć, że niektórzy autorzy proponują także inne właściwości kodu związane z charakterystyką chemiczną nukleotydów zawartych w kodzie czy częstotliwością występowania poszczególnych aminokwasów w białkach organizmu itp. Właściwości te wynikają jednak z właściwości wymienionych powyżej, dlatego rozważymy je tam.

A. Potrójność. Kod genetyczny, podobnie jak wiele skomplikowanych systemów, ma najmniejszą jednostkę strukturalną i najmniejszą funkcjonalną. Trójka jest najmniejszą jednostką strukturalną kodu genetycznego. Składa się z trzech nukleotydów. Kodon jest najmniejszą jednostką funkcjonalną kodu genetycznego. Zwykle trójki mRNA nazywane są kodonami. W kodzie genetycznym kodon pełni kilka funkcji. Po pierwsze, jego główną funkcją jest kodowanie pojedynczego aminokwasu. Po drugie, kodon może nie kodować aminokwasu, ale w tym przypadku pełni inną funkcję (patrz poniżej). Jak widać z definicji, trójka jest pojęciem charakteryzującym podstawowy jednostka strukturalna kod genetyczny (trzy nukleotydy). Kodon – charakteryzuje elementarna jednostka semantyczna genom - trzy nukleotydy decydują o przyłączeniu jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego.

Elementarną jednostkę strukturalną najpierw rozszyfrowano teoretycznie, a następnie jej istnienie potwierdzono eksperymentalnie. Rzeczywiście, 20 aminokwasów nie może być kodowanych za pomocą jednego lub dwóch nukleotydów, ponieważ tych ostatnich jest tylko 4. Trzy z czterech nukleotydów dają 4 3 = 64 warianty, co przekracza liczbę aminokwasów dostępnych w organizmach żywych (patrz tabela 1).

Kombinacje 64 nukleotydów przedstawione w tabeli mają dwie cechy. Po pierwsze, z 64 wariantów tripletów tylko 61 to kodony i kodują dowolny aminokwas. Nazywa się je kodony zmysłowe. Trzy trójki nie kodują

aminokwasy a są sygnałami stopu wskazującymi koniec translacji. Istnieją trzy takie trojaczki - UAA, UAG, UGA, nazywane są także „bezsensownymi” (kodonami nonsensownymi). W wyniku mutacji, która jest związana z zastąpieniem jednego nukleotydu w triplecie innym, z kodonu sensownego może powstać kodon nonsensowny. Ten typ mutacji nazywa się bezsensowna mutacja. Jeżeli taki sygnał stopu powstanie wewnątrz genu (w jego części informacyjnej), to podczas syntezy białka w tym miejscu proces będzie stale przerywany – syntetyzowana będzie jedynie pierwsza (przed sygnałem stop) część białka. Osoba z tą patologią odczuje brak białka i doświadczy objawów związanych z tym niedoborem. Na przykład tego rodzaju mutację zidentyfikowano w genie kodującym łańcuch beta hemoglobiny. Syntetyzowany jest skrócony, nieaktywny łańcuch hemoglobiny, który szybko ulega zniszczeniu. W rezultacie powstaje cząsteczka hemoglobiny pozbawiona łańcucha beta. Oczywiste jest, że jest mało prawdopodobne, aby taka cząsteczka w pełni spełniła swoje obowiązki. Występuje poważna choroba, która rozwija się jako niedokrwistość hemolityczna (talasemia beta-zero, od greckiego słowa „Thalas” – Morze Śródziemne, gdzie po raz pierwszy odkryto tę chorobę).

Mechanizm działania kodonów stop różni się od mechanizmu działania kodonów sensownych. Wynika to z faktu, że dla wszystkich kodonów kodujących aminokwasy znaleziono odpowiadające im tRNA. Nie znaleziono tRNA dla kodonów nonsensownych. W związku z tym tRNA nie bierze udziału w procesie zatrzymywania syntezy białek.

KodonSIERPIEŃ (czasami GUG u bakterii) nie tylko kodują aminokwasy metioninę i walinę, ale są takżeinicjator transmisji .

B. Degeneracja lub redundancja.

61 z 64 trójek koduje 20 aminokwasów. Ten trzykrotny nadmiar liczby trójek nad liczbą aminokwasów sugeruje, że w przekazywaniu informacji można zastosować dwie opcje kodowania. Po pierwsze, nie wszystkie 64 kodony mogą być zaangażowane w kodowanie 20 aminokwasów, ale tylko 20, a po drugie, aminokwasy mogą być kodowane przez kilka kodonów. Badania wykazały, że natura skorzystała z tej drugiej opcji.

Jego preferencje są oczywiste. Jeżeli z 64 wariantów trójek tylko 20 było zaangażowanych w kodowanie aminokwasów, wówczas 44 trójki (z 64) pozostałyby niekodujące, tj. bezsensowne (bezsensowne kodony). Już wcześniej wskazywaliśmy, jak niebezpieczne dla życia komórki jest przekształcenie w wyniku mutacji tripletu kodującego w kodon nonsensowny – znacząco zakłóca to normalne funkcjonowanie polimerazy RNA, ostatecznie prowadząc do rozwoju chorób. Obecnie trzy kodony w naszym genomie to nonsens, ale teraz wyobraźmy sobie, co by się stało, gdyby liczba kodonów nonsensownych wzrosła około 15 razy. Jest oczywiste, że w takiej sytuacji przejście kodonów normalnych do kodonów nonsensownych będzie nieporównywalnie wyższe.

Kod, w którym jeden aminokwas jest kodowany przez kilka trójek, nazywa się zdegenerowanym lub zbędnym. Prawie każdy aminokwas ma kilka kodonów. Zatem aminokwas leucyna może być kodowany przez sześć trójek - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Walina jest kodowana przez cztery trójki, fenyloalanina przez dwie i tylko tryptofan i metionina kodowane przez jeden kodon. Właściwość związana z zapisywaniem tej samej informacji za pomocą różnych symboli nazywa się degeneracja.

Liczba kodonów przypisanych do jednego aminokwasu dobrze koreluje z częstotliwością występowania tego aminokwasu w białkach.

I najprawdopodobniej nie jest to przypadkowe. Im większa częstotliwość występowania aminokwasu w białku, im częściej kodon tego aminokwasu jest reprezentowany w genomie, tym większe jest prawdopodobieństwo jego uszkodzenia przez czynniki mutagenne. Dlatego jasne jest, że zmutowany kodon ma większą szansę na kodowanie tego samego aminokwasu, jeśli jest wysoce zdegenerowany. Z tej perspektywy degeneracja kodu genetycznego jest mechanizmem chroniącym ludzki genom przed uszkodzeniami.

Należy zauważyć, że termin „degeneracja” jest używany w genetyce molekularnej w innym znaczeniu. Zatem większość informacji w kodonie zawarta jest w pierwszych dwóch nukleotydach; zasada na trzeciej pozycji kodonu okazuje się mało istotna. Zjawisko to nazywa się „degeneracją trzeciej podstawy”. Ta ostatnia cecha minimalizuje wpływ mutacji. Wiadomo na przykład, że główną funkcją czerwonych krwinek jest transport tlenu z płuc do tkanek i dwutlenku węgla z tkanek do płuc. Funkcję tę pełni pigment oddechowy – hemoglobina, która wypełnia całą cytoplazmę erytrocytu. Składa się z części białkowej – globiny, która jest kodowana przez odpowiedni gen. Oprócz białka cząsteczka hemoglobiny zawiera hem, który zawiera żelazo. Mutacje w genach globiny prowadzą do pojawienia się różnych wariantów hemoglobiny. Najczęściej mutacje są związane z zastąpienie jednego nukleotydu innym i pojawienie się nowego kodonu w genie, który może kodować nowy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny. W triplecie w wyniku mutacji można zastąpić dowolny nukleotyd - pierwszy, drugi lub trzeci. Znanych jest kilkaset mutacji wpływających na integralność genów globiny. W pobliżu 400 z których są związane z zastąpieniem pojedynczych nukleotydów w genie i odpowiadającym zastąpieniem aminokwasów w polipeptydzie. Tylko z tych 100 zamienniki prowadzą do niestabilności hemoglobiny i różnego rodzaju chorób od łagodnych do bardzo ciężkich. 300 (około 64%) mutacji substytucyjnych nie wpływa na funkcję hemoglobiny i nie prowadzi do patologii. Jedną z przyczyn tego jest wspomniana powyżej „degeneracja trzeciej zasady”, gdy zastąpienie trzeciego nukleotydu w triplecie kodującym serynę, leucynę, prolinę, argininę i niektóre inne aminokwasy prowadzi do pojawienia się kodonu synonimicznego kodujące ten sam aminokwas. Taka mutacja nie będzie objawiać się fenotypowo. Natomiast jakakolwiek wymiana pierwszego lub drugiego nukleotydu w trójce w 100% przypadków prowadzi do pojawienia się nowego wariantu hemoglobiny. Ale nawet w tym przypadku mogą nie wystąpić poważne zaburzenia fenotypowe. Powodem tego jest zastąpienie aminokwasu w hemoglobinie innym, podobnym do pierwszego pod względem właściwości fizykochemicznych. Na przykład, jeśli aminokwas o właściwościach hydrofilowych zostanie zastąpiony innym aminokwasem, ale o tych samych właściwościach.

Hemoglobina składa się z grupy żelaza porfirynowego hemu (związane są z nim cząsteczki tlenu i dwutlenku węgla) oraz białka - globiny. Hemoglobina u dorosłych (HbA) zawiera dwa identyczne -łańcuchy i dwa -więzy. Cząsteczka -łańcuch zawiera 141 reszt aminokwasowych, -łańcuch - 146, - I -łańcuchy różnią się wieloma resztami aminokwasowymi. Sekwencja aminokwasowa każdego łańcucha globiny jest kodowana przez jego własny gen. Kodowanie genów -łańcuch znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 16, -gen - w krótkim ramieniu chromosomu 11. Substytucja w kodzie genu -łańcuch hemoglobiny pierwszego lub drugiego nukleotydu prawie zawsze prowadzi do pojawienia się nowych aminokwasów w białku, zakłócenia funkcji hemoglobiny i poważnych konsekwencji dla pacjenta. Przykładowo zastąpienie „C” w jednej z trójek CAU (histydyna) przez „Y” doprowadzi do pojawienia się nowej trójki UAU, kodującej inny aminokwas – tyrozynę. Fenotypowo przejawi się to ciężką chorobą. podobna zamiana w pozycji 63 -łańcuch polipeptydu histydynowego do tyrozyny doprowadzi do destabilizacji hemoglobiny. Rozwija się choroba methemoglobinemia. Zastąpienie w wyniku mutacji kwasu glutaminowego waliną na 6 pozycji -łańcuch jest przyczyną najcięższej choroby - anemii sierpowatokrwinkowej. Nie kontynuujmy smutnej listy. Zauważmy tylko, że przy wymianie dwóch pierwszych nukleotydów może pojawić się aminokwas o właściwościach fizykochemicznych podobnych do poprzedniego. Zatem zastąpienie drugiego nukleotydu w jednej z trójek kodujących kwas glutaminowy (GAA) w -łańcuch z „U” prowadzi do pojawienia się nowego tripletu (GUA), kodującego walinę, a zastąpienie pierwszego nukleotydu przez „A” tworzy triplet AAA, kodujący aminokwas lizynę. Kwas glutaminowy i lizyna mają podobne właściwości fizykochemiczne - oba są hydrofilowe. Walina jest aminokwasem hydrofobowym. Dlatego zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofobową waliną znacząco zmienia właściwości hemoglobiny, co ostatecznie prowadzi do rozwoju anemii sierpowatokrwinkowej, natomiast zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofilową lizyną w mniejszym stopniu zmienia funkcję hemoglobiny – u pacjentów rozwija się postać łagodna anemii. W wyniku zamiany trzeciej zasady, nowa trójka może kodować te same aminokwasy, co poprzednia. Przykładowo, jeśli w triplecie CAC uracyl został zastąpiony cytozyną i pojawił się triplet CAC, to u człowieka praktycznie nie zostaną wykryte żadne zmiany fenotypowe. Jest to zrozumiałe, ponieważ obie trójki kodują ten sam aminokwas – histydynę.

Podsumowując, należy podkreślić, że degeneracja kodu genetycznego i degeneracja trzeciej zasady z ogólnego biologicznego punktu widzenia to mechanizmy ochronne nieodłącznie związane z ewolucją w unikalnej strukturze DNA i RNA.

V. Jednoznaczność.

Każda trójka (z wyjątkiem nonsensu) koduje tylko jeden aminokwas. Zatem w kierunku kodon - aminokwas kod genetyczny jest jednoznaczny, w kierunku aminokwas - kodon jest niejednoznaczny (zdegenerowany).

Niedwuznaczny

Kodon aminokwasu

Zdegenerowany

I w tym przypadku potrzeba jednoznaczności w kodzie genetycznym jest oczywista. W innej opcji, podczas translacji tego samego kodonu, do łańcucha białkowego zostaną wstawione różne aminokwasy, w wyniku czego powstaną białka o różnych strukturach pierwszorzędowych i różnych funkcjach. Metabolizm komórkowy przestawiłby się na tryb działania „jeden gen – kilka polipeptydów”. Jest oczywiste, że w takiej sytuacji funkcja regulacyjna genów zostałaby całkowicie utracona.

g. Polaryzacja

Odczyt informacji z DNA i mRNA następuje tylko w jednym kierunku. Polaryzacja jest ważna przy definiowaniu struktur wyższego rzędu (wtórnych, trzeciorzędnych itp.). Wcześniej mówiliśmy o tym, jak struktury niższego rzędu determinują struktury wyższego rzędu. Struktura trzeciorzędowa i struktury wyższego rzędu w białkach powstają, gdy tylko zsyntetyzowany łańcuch RNA opuszcza cząsteczkę DNA lub łańcuch polipeptydowy opuszcza rybosom. Podczas gdy wolny koniec RNA lub polipeptydu uzyskuje strukturę trzeciorzędową, drugi koniec łańcucha jest w dalszym ciągu syntetyzowany na DNA (w przypadku transkrypcji RNA) lub rybosomie (w przypadku transkrypcji polipeptydu).

Dlatego jednokierunkowy proces odczytywania informacji (podczas syntezy RNA i białka) jest niezbędny nie tylko do ustalenia sekwencji nukleotydów czy aminokwasów w syntetyzowanej substancji, ale także do ścisłego określenia drugorzędowej, trzeciorzędowej itp. Struktury.

d. Brak nakładania się.

Kod może się nakładać lub nie. Większość organizmów ma nienakładający się kod. W niektórych fagach można znaleźć nakładający się kod.

Istotą kodu niezachodzącego na siebie jest to, że nukleotyd jednego kodonu nie może być jednocześnie nukleotydem innego kodonu. Gdyby kody nakładały się, wówczas sekwencja siedmiu nukleotydów (GCUGCUG) mogłaby kodować nie dwa aminokwasy (alanina-alanina) (ryc. 33, A) jak w przypadku kodu niezachodzącego na siebie, ale trzy (jeśli jest jeden wspólny nukleotyd) (ryc. 33, B) lub pięć (jeśli wspólne są dwa nukleotydy) (patrz ryc. 33, C). W dwóch ostatnich przypadkach mutacja dowolnego nukleotydu doprowadziłaby do naruszenia sekwencji dwóch, trzech itd. aminokwasy.

Ustalono jednak, że mutacja jednego nukleotydu zawsze zakłóca włączenie jednego aminokwasu do polipeptydu. Jest to istotny argument świadczący o tym, że kod się nie nakłada.

Wyjaśnijmy to na rysunku 34. Pogrubione linie pokazują trójki kodujące aminokwasy w przypadku kodu nienakładającego się i nakładającego się. Eksperymenty wyraźnie wykazały, że kod genetyczny nie nakłada się. Nie wchodząc w szczegóły eksperymentu, zauważamy, że jeśli zastąpisz trzeci nukleotyd w sekwencji nukleotydów (patrz ryc. 34)U (oznaczone gwiazdką) na inną rzecz:

1. W przypadku niezachodzącego na siebie kodu białko kontrolowane przez tę sekwencję będzie miało substytucję jednego (pierwszego) aminokwasu (oznaczonego gwiazdkami).

2. W przypadku nakładającego się kodu w opcji A podstawienie nastąpi w dwóch (pierwszym i drugim) aminokwasach (oznaczonych gwiazdkami). W opcji B zastąpienie dotyczyłoby trzech aminokwasów (oznaczonych gwiazdkami).

Jednakże liczne eksperymenty wykazały, że w przypadku przerwania jednego nukleotydu w DNA, zaburzenie w białku zawsze dotyczy tylko jednego aminokwasu, co jest typowe dla kodu niezachodzącego na siebie.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

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

Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley

A B C

Kod nienakładający się Kod nakładający się

Ryż. 34. Schemat wyjaśniający obecność nienakładającego się na siebie kodu w genomie (objaśnienie w tekście).

Nienakładanie się kodu genetycznego wiąże się z jeszcze jedną właściwością – odczytywanie informacji rozpoczyna się od pewnego momentu – sygnału inicjującego. Takim sygnałem inicjacji w mRNA jest kodon kodujący metioninę AUG.

Należy zauważyć, że dana osoba nadal ma niewielką liczbę genów, które odbiegają od ogólnej zasady i nakładają się.

e. Zwartość.

Pomiędzy kodonami nie ma znaków interpunkcyjnych. Inaczej mówiąc, trojaczki nie są od siebie oddzielone np. jednym nic nie znaczącym nukleotydem. Eksperymentalnie udowodniono brak „znaków interpunkcyjnych” w kodzie genetycznym.

I. Wszechstronność.

Kod jest taki sam dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bezpośredni dowód uniwersalności kodu genetycznego uzyskano poprzez porównanie sekwencji DNA z odpowiadającymi im sekwencjami białek. Okazało się, że wszystkie genomy bakteryjne i eukariotyczne korzystają z tych samych zestawów wartości kodowych. Są wyjątki, ale nie jest ich wiele.

Pierwsze wyjątki od uniwersalności kodu genetycznego znaleziono w mitochondriach niektórych gatunków zwierząt. Dotyczyło to kodonu terminatora UGA, który brzmi tak samo jak kodon UGG, kodujący aminokwas tryptofan. Stwierdzono także inne, rzadsze odchylenia od uniwersalności.

System kodu DNA.

Kod genetyczny DNA składa się z 64 trójek nukleotydów. Te trojaczki nazywane są kodonami. Każdy kodon koduje jeden z 20 aminokwasów używanych w syntezie białek. Daje to pewną redundancję w kodzie: większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon.
Jeden kodon pełni dwie powiązane ze sobą funkcje: sygnalizuje początek translacji i koduje włączenie aminokwasu metioniny (Met) do rosnącego łańcucha polipeptydowego. System kodowania DNA jest zaprojektowany w taki sposób, że kod genetyczny może być wyrażany albo jako kodony RNA, albo jako kodony DNA. Kodony RNA znajdują się w RNA (mRNA) i kodony te są w stanie odczytać informacje podczas syntezy polipeptydów (proces zwany translacją). Ale każda cząsteczka mRNA nabywa sekwencję nukleotydową w transkrypcji z odpowiedniego genu.

Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem dwóch (Met i Trp) mogą być kodowane przez 2 do 6 różnych kodonów. Jednakże genom większości organizmów pokazuje, że niektóre kodony są faworyzowane w stosunku do innych. Na przykład u ludzi alanina jest kodowana przez GCC cztery razy częściej niż przez GCG. Prawdopodobnie wskazuje to na większą wydajność translacji aparatu translacyjnego (na przykład rybosomu) dla niektórych kodonów.

Kod genetyczny jest niemal uniwersalny. Te same kodony są przypisane do tej samej sekcji aminokwasów, a te same sygnały startu i stopu są w przeważającej mierze takie same u zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Znaleziono jednak pewne wyjątki. Większość polega na przypisaniu jednego lub dwóch z trzech kodonów stop do aminokwasu.

Układają się w łańcuchy i w ten sposób tworzą sekwencje liter genetycznych.

Kod genetyczny

Białka prawie wszystkich żywych organizmów zbudowane są z zaledwie 20 rodzajów aminokwasów. Aminokwasy te nazywane są kanonicznymi. Każde białko to łańcuch lub kilka łańcuchów aminokwasów połączonych w ściśle określoną sekwencję. Sekwencja ta determinuje strukturę białka, a co za tym idzie, wszystkie jego właściwości biologiczne.

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

W niektórych białkach niestandardowe aminokwasy, takie jak selenocysteina i pirolizyna, są wstawiane przez rybosom odczytujący kodon stop, w zależności od sekwencji w mRNA. Selenocysteina jest obecnie uważana za 21., a pirolizyna za 22. aminokwas tworzący białka.

Pomimo tych wyjątków wszystkie żywe organizmy mają wspólne kody genetyczne: kodon składa się z trzech nukleotydów, przy czym decydujące są dwa pierwsze; kodony są tłumaczone przez tRNA i rybosomy na sekwencję aminokwasów.

Historia idei dotyczących kodu genetycznego

Jednak już na początku lat 60. XX w. nowe dane ujawniły niespójność hipotezy „kodu bez przecinków”. Następnie eksperymenty wykazały, że kodony, uważane przez Cricka za bezsensowne, mogą prowokować syntezę białek in vitro i do 1965 roku ustalono znaczenie wszystkich 64 trójek. Okazało się, że niektóre kodony są po prostu zbędne, czyli cała seria aminokwasów jest kodowana przez dwie, cztery, a nawet sześć trójek.

Zobacz też

Notatki

1. Kod genetyczny obsługuje ukierunkowaną insercję dwóch aminokwasów przez jeden kodon. Turanov AA, Lobanov AV, Fomenko DE, Morrison HG, Sogin ML, Klobutcher LA, Hatfield DL, Gladyshev VN. Nauka. 9 stycznia 2009; 323 (5911): 259-61.
2. Kodon AUG koduje metioninę, ale jednocześnie pełni funkcję kodonu start – translacja rozpoczyna się zwykle od pierwszego kodonu AUG mRNA.
3. NCBI: „Kody genetyczne”, opracowanie: Andrzej (Anjay) Elzanowski i Jim Ostell
4. Jukes TH, Osawa S, Kod genetyczny w mitochondriach i chloroplastach., Doświadczenie. 1990 1 grudnia 46(11-12):1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (marzec 1992). „Najnowsze dowody na ewolucję kodu genetycznego”. Mikrobiol. Obrót silnika. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
6. SANGER F. (1952). „Układ aminokwasów w białkach”. Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
7. M.Ichas Kod biologiczny. - Świat, 1971.
8. WATSON JD, CRICK FH. (kwiecień 1953). „Struktura molekularna kwasów nukleinowych; struktura kwasu nukleinowego dezoksyrybozy.” Natura 171 : 737-738. PMID 13054692.
9. WATSON JD, CRICK FH. (maj 1953). „Genetyczne implikacje struktury kwasu dezoksyrybonukleinowego”. Natura 171 : 964-967. PMID 13063483.
10. Cricka FH. (kwiecień 1966). „Kod genetyczny – wczoraj, dziś i jutro.” Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
11. G. GAMOW (luty 1954). „Możliwy związek między kwasem dezoksyrybonukleinowym a strukturami białek”. Natura 173 : 318. DOI:10.1038/173318a0. PMID 13882203.
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). „Zagadnienie transferu informacji z kwasów nukleinowych do białek.” Adw. Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
13. Gamow G, Ycas M. (1955). „STATYSTYCZNA KORELACJA SKŁADU BIAŁKA I KWASU RYBONUKLEINOWEGO. " Proc Natl Acad Sci USA. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). „KODY BEZ PRZECINKÓW. " Proc Natl Acad Sci USA. 43 : 416-421. PMID 16590032.
15. Hayes B. (1998). „Wynalazek kodu genetycznego”. (Przedruk w formacie PDF). Amerykański naukowiec 86 : 8-14.

Literatura

• Azimov A. Kod genetyczny. Od teorii ewolucji po rozszyfrowanie DNA. - M.: Tsentrpoligraf, 2006. - 208 s. - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ratner V. A. Kod genetyczny jako system – Czasopismo edukacyjne Sorosa, 2000, 6, nr 3, s. 17-22.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Ogólna natura kodu genetycznego białek – Nature, 1961 (192), s. 1227-32

Spinki do mankietów

• Kod genetyczny- artykuł z Wielkiej Encyklopedii Radzieckiej

Fundacja Wikimedia. 2010.

Kod genetyczny to sposób kodowania sekwencji aminokwasów w cząsteczce białka przy użyciu sekwencji nukleotydów w cząsteczce kwasu nukleinowego. Właściwości kodu genetycznego wynikają z cech tego kodowania.

Każdy aminokwas białkowy jest dopasowany do trzech kolejnych nukleotydów kwasu nukleinowego - tryplet, Lub kodon. Każdy nukleotyd może zawierać jedną z czterech zasad azotowych. W RNA są to adenina (A), uracyl (U), guanina (G), cytozyna (C). Łącząc zasady azotowe (w tym przypadku zawierające je nukleotydy) na różne sposoby, można uzyskać wiele różnych trójek: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC itp. Łączna liczba możliwych kombinacji wynosi 64, czyli 43.

Białka organizmów żywych zawierają około 20 aminokwasów. Gdyby natura „zaplanowała” kodowanie każdego aminokwasu nie trzema, ale dwoma nukleotydami, wówczas różnorodność takich par nie byłaby wystarczająca, ponieważ byłoby ich tylko 16, tj. 42.

Zatem, główną właściwością kodu genetycznego jest jego potrójność. Każdy aminokwas jest kodowany przez triplet nukleotydów.

Ponieważ istnieje znacznie więcej możliwych różnych trójek niż aminokwasy stosowane w cząsteczkach biologicznych, w żywej przyrodzie zrealizowano następującą właściwość: nadmierność kod genetyczny. Wiele aminokwasów zaczęto kodować nie przez jeden kodon, ale przez kilka. Na przykład aminokwas glicyna jest kodowany przez cztery różne kodony: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundancja jest również nazywana degeneracja.

Zależność pomiędzy aminokwasami i kodonami pokazano w tabelach. Na przykład te:

W odniesieniu do nukleotydów kod genetyczny ma następującą właściwość: jednoznaczność(Lub specyficzność): każdy kodon odpowiada tylko jednemu aminokwasowi. Na przykład kodon GGU może kodować tylko glicynę i żaden inny aminokwas.

Ponownie. Redundancja oznacza, że ​​kilka trójek może kodować ten sam aminokwas. Specyficzność – każdy specyficzny kodon może kodować tylko jeden aminokwas.

W kodzie genetycznym nie ma specjalnych znaków interpunkcyjnych (z wyjątkiem kodonów stop, które wskazują koniec syntezy polipeptydu). Funkcję znaków interpunkcyjnych pełnią same trójki - koniec jednej oznacza, że ​​następna zacznie się kolejna. Oznacza to następujące dwie właściwości kodu genetycznego: ciągłość I nie nakładające się. Ciągłość odnosi się do czytania trójek bezpośrednio po sobie. Brak nakładania się oznacza, że ​​każdy nukleotyd może być częścią tylko jednej trójki. Zatem pierwszy nukleotyd następnego tripletu zawsze następuje po trzecim nukleotydzie poprzedniego tripletu. Kodon nie może zaczynać się od drugiego lub trzeciego nukleotydu poprzedniego kodonu. Innymi słowy, kod nie nakłada się.

Kod genetyczny ma tę właściwość wszechstronność. To samo dotyczy wszystkich organizmów na Ziemi, co wskazuje na jedność pochodzenia życia. Istnieją od tego bardzo rzadkie wyjątki. Na przykład niektóre trojaczki w mitochondriach i chloroplastach kodują aminokwasy inne niż ich zwykłe aminokwasy. Może to sugerować, że u zarania życia istniały nieco inne odmiany kodu genetycznego.

Wreszcie kod genetyczny tak ma odporność na hałas, co jest konsekwencją jego własności jako redundancji. Mutacje punktowe, które czasami występują w DNA, zwykle skutkują zastąpieniem jednej zasady azotowej inną. To zmienia trójkę. Na przykład było to AAA, ale po mutacji stało się AAG. Jednakże takie zmiany nie zawsze prowadzą do zmiany aminokwasu w syntetyzowanym polipeptydzie, ponieważ obie trójki, ze względu na właściwość redundancji kodu genetycznego, mogą odpowiadać jednemu aminokwasowi. Biorąc pod uwagę, że mutacje są często szkodliwe, przydatna jest właściwość odporności na szum.

Kod genetyczny, czyli biologiczny, jest jedną z uniwersalnych właściwości przyrody żywej, świadczącą o jedności jej pochodzenia. Kod genetyczny to metoda kodowania sekwencji aminokwasów polipeptydu przy użyciu sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego (RNA informacyjny lub komplementarny odcinek DNA, na którym syntetyzowany jest mRNA).

Istnieją inne definicje.

Kod genetyczny- jest to zgodność każdego aminokwasu (części żywych białek) z określoną sekwencją trzech nukleotydów. Kod genetyczny jest związkiem pomiędzy zasadami kwasów nukleinowych i aminokwasami białkowymi.

W literaturze naukowej kod genetyczny nie oznacza sekwencji nukleotydów w DNA organizmu, która decyduje o jego indywidualności.

Błędem jest założenie, że jeden organizm lub gatunek ma jeden kod, a inny inny. Kod genetyczny to kodowanie aminokwasów przez nukleotydy (tj. zasada, mechanizm); jest uniwersalny dla wszystkich istot żywych, taki sam dla wszystkich organizmów.

Dlatego niewłaściwe jest mówienie na przykład „Kod genetyczny człowieka” lub „Kod genetyczny organizmu”, co jest często używane w literaturze i filmach pseudonaukowych.

W takich przypadkach zwykle mamy na myśli genom osoby, organizmu itp.

Różnorodność organizmów żywych i charakterystyka ich aktywności życiowej wynika przede wszystkim z różnorodności białek.

Specyficzna struktura białka zależy od kolejności i ilości różnych aminokwasów tworzących jego skład. Sekwencja aminokwasów peptydu jest szyfrowana w DNA przy użyciu kodu biologicznego. Z punktu widzenia różnorodności zestawu monomerów DNA jest cząsteczką bardziej prymitywną niż peptyd. DNA składa się z różnych zmian zaledwie czterech nukleotydów. To od dawna powstrzymuje badaczy od uznania DNA za materiał dziedziczności.

Jak aminokwasy są kodowane przez nukleotydy?

1) Kwasy nukleinowe (DNA i RNA) to polimery składające się z nukleotydów.

Każdy nukleotyd może zawierać jedną z czterech zasad azotowych: adeninę (A, en: A), guaninę (G, G), cytozynę (C, en: C), tyminę (T, en: T). W przypadku RNA tyminę zastępuje się uracylem (U, U).

Rozważając kod genetyczny, brane są pod uwagę tylko zasady azotowe.

Następnie łańcuch DNA można przedstawić jako ich sekwencję liniową. Na przykład:

Sekcja mRNA uzupełniająca ten kod będzie następująca:

2) Białka (polipeptydy) to polimery składające się z aminokwasów.

W organizmach żywych do budowy polipeptydów wykorzystuje się 20 aminokwasów (kilka więcej występuje bardzo rzadko). Aby je oznaczyć, można również użyć jednej litery (choć częściej używa się trzech - skrótu nazwy aminokwasu).

Aminokwasy w polipeptydzie są również połączone liniowo wiązaniem peptydowym. Załóżmy na przykład, że istnieje sekcja białka o następującej sekwencji aminokwasów (każdy aminokwas jest oznaczony jedną literą):

3) Jeśli zadaniem jest zakodowanie każdego aminokwasu za pomocą nukleotydów, wówczas sprowadza się to do zakodowania 20 liter za pomocą 4 liter.

Można to zrobić, dopasowując litery 20-literowego alfabetu do słów składających się z kilku liter 4-literowego alfabetu.

Jeśli jeden aminokwas jest kodowany przez jeden nukleotyd, wówczas można zakodować tylko cztery aminokwasy.

Jeśli każdy aminokwas jest powiązany z dwoma kolejnymi nukleotydami w łańcuchu RNA, wówczas można zakodować szesnaście aminokwasów.

Rzeczywiście, jeśli są cztery litery (A, U, G, C), liczba ich różnych kombinacji par będzie wynosić 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), (UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC).

[W celu ułatwienia percepcji zastosowano nawiasy.] Oznacza to, że za pomocą takiego kodu (dwuliterowego słowa) można zakodować tylko 16 różnych aminokwasów: każdy będzie miał swoje własne słowo (dwa kolejne nukleotydy).

Z matematyki wzór na określenie liczby kombinacji wygląda następująco: ab = n.

Tutaj n to liczba różnych kombinacji, a to liczba liter alfabetu (lub podstawy systemu liczbowego), b to liczba liter w słowie (lub cyfr w liczbie). Jeśli podstawimy do tego wzoru 4-literowy alfabet i słowa składające się z dwóch liter, otrzymamy 42 = 16.

Jeśli jako słowo kodowe dla każdego aminokwasu zostaną użyte trzy kolejne nukleotydy, wówczas można zakodować 43 = 64 różne aminokwasy, ponieważ z czterech liter wziętych w grupach po trzy (na przykład AUG, GAA, CAU , GGU itp.).

D.). To już więcej niż wystarczy do zakodowania 20 aminokwasów.

Dokładnie trzyliterowy kod używany w kodzie genetycznym. Nazywa się trzy kolejne nukleotydy kodujące jeden aminokwas tryplet(Lub kodon).

Każdy aminokwas jest powiązany z określoną trójką nukleotydów.

Ponadto, ponieważ kombinacje trójek pokrywają się z nadmiarową liczbą aminokwasów, wiele aminokwasów jest kodowanych przez kilka trójek.

Trzy trójki nie kodują żadnego z aminokwasów (UAA, UAG, UGA).

Oznaczają koniec transmisji i są wywoływani kodony stop(Lub bezsensowne kodony).

Triplet AUG koduje nie tylko aminokwas metioninę, ale także inicjuje translację (pełni rolę kodonu start).

Poniżej znajdują się tabele zależności aminokwasów od tripletów nukleotydów.

Korzystając z pierwszej tabeli, wygodnie jest określić odpowiedni aminokwas z danej tripletu. Dla drugiego - dla danego aminokwasu odpowiadające mu trojaczki.

Rozważmy przykład implementacji kodu genetycznego. Niech będzie mRNA o następującej zawartości:

Podzielmy sekwencję nukleotydów na triplety:

Powiążmy każdą trójkę z aminokwasem polipeptydu, który koduje:

Metionina – Kwas asparaginowy – Seryna – Treonina – Tryptofan – Leucyna – Leucyna – Lizyna – Asparagina – Glutamina

Ostatnia trójka to kodon stop.

Właściwości kodu genetycznego

Właściwości kodu genetycznego są w dużej mierze konsekwencją sposobu kodowania aminokwasów.

Pierwszą i oczywistą właściwością jest potrójność.

Odnosi się do faktu, że jednostką kodu jest sekwencja trzech nukleotydów.

Ważną właściwością kodu genetycznego jest jego nie nakładające się. Nukleotyd zawarty w jednym triplecie nie może być zawarty w innym.

Oznacza to, że sekwencję AGUGAA można odczytać tylko jako AGU-GAA, ale nie na przykład w ten sposób: AGU-GUG-GAA. Oznacza to, że jeśli para GU jest zawarta w jednej trójce, nie może już być składnikiem innej.

Pod jednoznaczność Kod genetyczny rozumie, że każda trójka odpowiada tylko jednemu aminokwasowi.

Na przykład triplet AGU koduje aminokwas serynę i nic więcej.

Kod genetyczny

Ta trójka jednoznacznie odpowiada tylko jednemu aminokwasowi.

Z drugiej strony, kilka trójek może odpowiadać jednemu aminokwasowi. Na przykład ta sama seryna, oprócz AGU, odpowiada kodonowi AGC. Ta właściwość nazywa się degeneracja kod genetyczny.

Degeneracja pozwala wielu mutacjom pozostać nieszkodliwymi, ponieważ często zastąpienie jednego nukleotydu w DNA nie prowadzi do zmiany wartości tripletu. Jeśli przyjrzysz się uważnie tabeli odpowiadającej aminokwasom trójek, zobaczysz, że jeśli aminokwas jest kodowany przez kilka trójek, często różnią się one ostatnim nukleotydem, tj. może to być wszystko.

Odnotowuje się także inne właściwości kodu genetycznego (ciągłość, odporność na zakłócenia, uniwersalność itp.).

Odporność jako przystosowanie roślin do warunków życia. Podstawowe reakcje roślin na działanie niekorzystnych czynników.

Odporność roślin to zdolność przeciwstawiania się działaniu ekstremalnych czynników środowiskowych (susza glebowa i powietrzna).

Wyjątkowość kodu genetycznego przejawia się w tym, że

Właściwość ta wykształciła się w procesie ewolucji i została genetycznie utrwalona. Na obszarach o niesprzyjających warunkach wykształciły się stabilne formy ozdobne i lokalne odmiany roślin uprawnych odpornych na suszę. Szczególny poziom odporności właściwy roślinom ujawnia się dopiero pod wpływem ekstremalnych czynników środowiskowych.

W wyniku wystąpienia takiego czynnika rozpoczyna się faza podrażnienia - gwałtowne odchylenie od normy szeregu parametrów fizjologicznych i ich szybki powrót do normy. Następuje wtedy zmiana tempa metabolizmu i uszkodzenie struktur wewnątrzkomórkowych. Jednocześnie wszystkie syntetyczne ulegają stłumieniu, wszystkie hydrolityczne zostają aktywowane i zmniejsza się ogólne zaopatrzenie organizmu w energię. Jeżeli wpływ czynnika nie przekracza wartości progowej, rozpoczyna się faza adaptacji.

Przystosowana roślina mniej reaguje na powtarzające się lub rosnące narażenie na ekstremalny czynnik. Na poziomie organizmu do mechanizmów adaptacyjnych dodaje się interakcję między narządami. Osłabienie przepływu wody, związków mineralnych i organicznych przez roślinę zaostrza konkurencję między narządami, a ich wzrost zatrzymuje się.

Zdefiniowano biostabilność roślin. maksymalna wartość skrajnego współczynnika, przy której rośliny nadal tworzą żywotne nasiona. Stabilność agronomiczna zależy od stopnia zmniejszenia plonu. Rośliny charakteryzują się odpornością na określony rodzaj czynnika ekstremalnego - zimowanie, gazoodporność, sól, odporność na suszę.

Rodzaj nicieni, w odróżnieniu od płazińców, posiada pierwotną jamę ciała – schizocel, powstały w wyniku zniszczenia miąższu wypełniającego szczeliny pomiędzy ścianą ciała a narządami wewnętrznymi – jego funkcją jest transport.

Utrzymuje homeostazę. Kształt ciała ma okrągłą średnicę. Powłoka jest oskórkowa. Mięśnie są reprezentowane przez warstwę mięśni podłużnych. Jelito jest pełne i składa się z 3 odcinków: przedniego, środkowego i tylnego. Otwór ustny znajduje się na brzusznej powierzchni przedniego końca ciała. Gardło ma charakterystyczne trójkątne światło. Układ wydalniczy jest reprezentowany przez protonefrydę lub specjalne gruczoły skórne - gruczoły podskórne. Większość gatunków jest dwupienna i rozmnaża się wyłącznie płciowo.

Rozwój jest bezpośredni, rzadziej z metamorfozą. Mają stały skład komórkowy organizmu i brak im zdolności do regeneracji. Jelito przednie składa się z jamy ustnej, gardła i przełyku.

Nie mają części środkowej ani tylnej. Układ wydalniczy składa się z 1-2 olbrzymich komórek tkanki podskórnej. Podłużne kanały wydalnicze leżą w bocznych grzbietach tkanki podskórnej.

Właściwości kodu genetycznego. Dowód potrójnego kodu. Dekodowanie kodonów. Zatrzymaj kodony. Pojęcie supresji genetycznej.

Pomysł, że gen koduje informację w pierwotnej strukturze białka, został skonkretyzowany przez F.

Cricka w swojej hipotezie sekwencji, zgodnie z którą sekwencja elementów genu determinuje kolejność reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym. O słuszności hipotezy sekwencji świadczy kolinearność struktur genu i kodowanego przez niego polipeptydu. Najbardziej znaczącym osiągnięciem w 1953 r. było stwierdzenie, że. Że kod jest najprawdopodobniej potrójny.

; Pary zasad DNA: A-T, T-A, G-C, C-G - mogą kodować tylko 4 aminokwasy, jeśli każda para odpowiada jednemu aminokwasowi. Jak wiadomo, białka zawierają 20 podstawowych aminokwasów. Jeśli założymy, że każdy aminokwas ma 2 pary zasad, to można zakodować 16 aminokwasów (4*4) - to znowu nie wystarczy.

Jeśli kod jest trójkowy, wówczas z 4 par zasad można utworzyć 64 kodony (4*4*4), co w zupełności wystarczy do zakodowania 20 aminokwasów. Crick i jego współpracownicy założyli, że kod jest trójkowy, pomiędzy kodonami nie ma „przecinków”, czyli znaków oddzielających; Kod genu jest odczytywany od ustalonego punktu w jednym kierunku. Latem 1961 roku Kirenberg i Mattei opisali dekodowanie pierwszego kodonu i zaproponowali metodę ustalania składu kodonów w bezkomórkowym systemie syntezy białek.

Zatem kodon fenyloalaniny został przepisany jako UUU w mRNA. Ponadto w wyniku zastosowania metod opracowanych przez Koranę, Nirenberga i Ledera w 1965 roku.

opracowano słownik kodów w jego nowoczesnej formie. Zatem występowanie mutacji w fagach T4 spowodowanych utratą lub dodaniem zasad było dowodem na tripletową naturę kodu (właściwość 1). Te skreślenia i uzupełnienia, prowadzące do przesunięć klatek podczas „odczytywania” kodu, zostały wyeliminowane jedynie poprzez przywrócenie poprawności kodu, co zapobiegło pojawieniu się mutantów. Doświadczenia te wykazały również, że trójki nie nakładają się na siebie, to znaczy każda zasada może należeć tylko do jednej trójki (właściwość 2).

Większość aminokwasów ma kilka kodonów. Kod, w którym liczba aminokwasów jest mniejsza niż liczba kodonów, nazywa się zdegenerowanym (właściwość 3), tj.

e. dany aminokwas może być kodowany przez więcej niż jedną trójkę. Ponadto trzy kodony w ogóle nie kodują żadnego aminokwasu („kodony nonsensowne”) i działają jako „sygnał stop”. Kodon stop to punkt końcowy funkcjonalnej jednostki DNA, cistronu. Kodony stop są takie same u wszystkich gatunków i są reprezentowane jako UAA, UAG, UGA. Godną uwagi cechą kodu jest to, że jest uniwersalny (właściwość 4).

We wszystkich żywych organizmach te same trojaczki kodują te same aminokwasy.

Istnienie trzech typów zmutowanych terminatorów kodonów i ich supresję wykazano w E. coli i drożdżach. Odkrycie genów supresorowych, które „interpretują” nonsensowne allele różnych genów, wskazuje, że tłumaczenie kodu genetycznego może się zmienić.

Mutacje wpływające na antykodon tRNA zmieniają specyficzność ich kodonów i stwarzają możliwość supresji mutacji na poziomie translacyjnym. Supresja na poziomie translacji może wystąpić w wyniku mutacji w genach kodujących pewne białka rybosomalne. W wyniku tych mutacji rybosom „popełnia błędy”, na przykład przy czytaniu nonsensownych kodonów i „interpretuje” je przy użyciu niezmutowanych tRNA. Oprócz supresji genotypowej działającej na poziomie translacji możliwa jest także supresja fenotypowa alleli nonsensownych: gdy temperatura spada, gdy komórki są wystawione na działanie antybiotyków aminoglikozydowych wiążących się z rybosomami, na przykład streptomycyny.

22. Rozmnażanie roślin wyższych: wegetatywnego i bezpłciowego. Sporulacja, struktura zarodników, równa i heterosporyczna.Rozmnażanie się jako właściwość materii żywej, tj. zdolność osobnika do rodzenia własnego rodzaju, istniała we wczesnych stadiach ewolucji.

Formy reprodukcji można podzielić na 2 typy: bezpłciowe i seksualne. Samo rozmnażanie bezpłciowe odbywa się bez udziału komórek rozrodczych, za pomocą wyspecjalizowanych komórek - zarodników. Powstają w narządach rozmnażania bezpłciowego - zarodniach w wyniku podziału mitotycznego.

Podczas kiełkowania zarodnik odtwarza nowego osobnika, podobnego do matki, z wyjątkiem zarodników roślin nasiennych, w których zarodnik utracił funkcję rozmnażania i rozprzestrzeniania się. Zarodniki mogą powstawać także w wyniku podziału redukcyjnego, podczas którego wydostają się zarodniki jednokomórkowe.

Rozmnażanie roślin za pomocą wegetatywnego (część pędu, liścia, korzenia) lub podziału jednokomórkowych glonów na pół nazywa się wegetatywnym (cebula, sadzonki).

Rozmnażanie płciowe odbywa się za pomocą specjalnych komórek płciowych - gamet.

Gamety powstają w wyniku mejozy, są żeńskie i męskie. W wyniku ich fuzji pojawia się zygota, z której następnie rozwija się nowy organizm.

Rośliny różnią się rodzajem gamet. U niektórych organizmów jednokomórkowych w określonych momentach pełni funkcję gamety. Organizmy różnych płci (gamety) łączą się - nazywa się to procesem seksualnym hologamia. Jeśli gamety męskie i żeńskie są morfologicznie podobne i mobilne, są to izogamety.

A proces seksualny - izogamiczny. Jeśli gamety żeńskie są nieco większe i mniej mobilne niż męskie, wówczas są to heterogamety i proces ten jest heterogamiczny. Oogamia – gamety żeńskie są bardzo duże i nieruchome, gamety męskie są małe i ruchliwe.

12345678910Dalej ⇒

Kod genetyczny - zgodność trójek DNA z aminokwasami białkowymi

Konieczność kodowania struktury białek w liniowej sekwencji nukleotydów mRNA i DNA jest podyktowana faktem, że podczas translacji:

• nie ma zgodności pomiędzy liczbą monomerów w matrycy mRNA a produktem – syntetyzowanym białkiem;
• nie ma podobieństwa strukturalnego pomiędzy monomerami RNA i białek.

Eliminuje to komplementarne oddziaływanie matrycy i produktu – zasadę, według której podczas replikacji i transkrypcji odbywa się konstrukcja nowych cząsteczek DNA i RNA.

Z tego staje się jasne, że musi istnieć „słownik”, który pozwala dowiedzieć się, która sekwencja nukleotydów mRNA zapewnia włączenie aminokwasów do białka w danej sekwencji. Ten „słownik” nazywany jest kodem genetycznym, biologicznym, nukleotydowym lub aminokwasowym. Umożliwia szyfrowanie aminokwasów tworzących białka przy użyciu określonej sekwencji nukleotydów w DNA i mRNA. Charakteryzuje się pewnymi właściwościami.

Potrójność. Jednym z głównych pytań przy określaniu właściwości kodu była kwestia liczby nukleotydów, która powinna decydować o włączeniu jednego aminokwasu do białka.

Stwierdzono, że elementy kodujące w szyfrowaniu sekwencji aminokwasów są w istocie trójkami nukleotydów, czyli trojaczki, które zostały nazwane „kodony”.

Znaczenie kodonów.

Udało się ustalić, że spośród 64 kodonów włączenie aminokwasów do syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego koduje 61 trójek, a pozostałe 3 – UAA, UAG, UGA – nie kodują włączenia aminokwasów do białka i pierwotnie były nazywane kodonami bezsensownymi lub bezsensownymi. Jednakże później wykazano, że te trojaczki sygnalizują zakończenie translacji i dlatego zaczęto je nazywać kodonami terminacyjnymi lub stop.

Kodony mRNA i triplety nukleotydów w nici kodującej DNA w kierunku od końca 5′ do końca 3′ mają tę samą sekwencję zasad azotowych, z tą różnicą, że w DNA zamiast charakterystycznego dla mRNA uracylu (U) jest tymina (T).

Specyficzność.

Każdy kodon odpowiada tylko jednemu konkretnemu aminokwasowi. W tym sensie kod genetyczny jest ściśle jednoznaczny.

Tabela 4-3.

Jednoznaczność to jedna z właściwości kodu genetycznego, objawiająca się tym, że...

Główne składniki układu syntezy białek

Uwagi: elf( eukariotyczne czynniki inicjacji) — czynniki inicjacji; eEF ( eukariotyczne czynniki wydłużania) — współczynniki wydłużenia; eRF ( eukariotyczne czynniki uwalniające) są czynnikami zakończenia.

Degeneracja. W mRNA i DNA istnieje 61 trójek, z których każda koduje włączenie jednego z 20 aminokwasów do białka.

Wynika z tego, że w cząsteczkach informacyjnych włączenie tego samego aminokwasu do białka jest określone przez kilka kodonów. Ta właściwość kodu biologicznego nazywa się degeneracją.

U człowieka jednym kodonem kodowane są tylko 2 aminokwasy – Met i Tri, Leu, Ser i Apr – sześcioma kodonami, a Ala, Val, Gly, Pro, Tre – czterema kodonami (tab.

Redundancja sekwencji kodujących jest najcenniejszą właściwością kodu, gdyż zwiększa stabilność przepływu informacji przed niekorzystnym wpływem środowiska zewnętrznego i wewnętrznego. Przy określaniu charakteru aminokwasu, który ma być zawarty w białku, trzeci nukleotyd w kodonie nie jest tak ważny jak dwa pierwsze. Jak widać z tabeli. 4-4, w przypadku wielu aminokwasów zastąpienie nukleotydu na trzeciej pozycji kodonu nie wpływa na jego znaczenie.

Liniowość zapisu informacji.

Podczas translacji kodony mRNA są „odczytywane” sekwencyjnie od ustalonego punktu początkowego i nie nakładają się. Zapis informacyjny nie zawiera sygnałów wskazujących koniec jednego kodonu i początek następnego. Kodon AUG jest kodonem inicjacyjnym i jest odczytywany zarówno na początku, jak i w innych częściach mRNA jako Met. Następujące po nim trójki są odczytywane sekwencyjnie bez żadnych przerw, aż do kodonu stop, w którym synteza łańcucha polipeptydowego zostaje zakończona.

Wszechstronność.

Do niedawna uważano, że kod jest absolutnie uniwersalny, tj. znaczenie słów kodowych jest takie samo dla wszystkich badanych organizmów: wirusów, bakterii, roślin, płazów, ssaków, w tym człowieka.

Jednak później stał się znany jeden wyjątek: okazało się, że mitochondrialny mRNA zawiera 4 triplety, które mają inne znaczenie niż mRNA pochodzenia jądrowego. Zatem w mitochondrialnym mRNA triplet UGA koduje Tri, AUA koduje Met, a ACA i AGG są odczytywane jako dodatkowe kodony stop.

Kolinearność genu i produktu.

U prokariotów stwierdzono liniową zgodność między sekwencją kodonów genu a sekwencją aminokwasów w produkcie białkowym lub, jak mówią, istnieje kolinearność między genem i produktem.

Tabela 4-4.

Kod genetyczny

Uwagi: U - uracyl; C - cytozyna; A - adenina; G - guanina; *-kodon terminacyjny.

U eukariontów sekwencje zasad w genie, które są współliniowe z sekwencją aminokwasów w białku, są przerywane przez nitrony.

Dlatego w komórkach eukariotycznych sekwencja aminokwasów białka jest współliniowa z sekwencją eksonów w genie lub dojrzałym mRNA po potranskrypcyjnym usunięciu intronów.

Kod genetyczny, zwany także kodem aminokwasowym, to system zapisu informacji o sekwencji aminokwasów w białku wykorzystujący sekwencję reszt nukleotydowych w DNA, które zawierają jedną z 4 zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G ), cytozyna (C) i tymina (T). Ponieważ jednak dwuniciowa helisa DNA nie bierze bezpośrednio udziału w syntezie białka kodowanego przez jedną z tych nici (tj. RNA), kod jest napisany w języku RNA, który zamiast tego zawiera uracyl (U). tyminy. Z tego samego powodu zwyczajowo mówi się, że kod jest sekwencją nukleotydów, a nie parami nukleotydów.

Kod genetyczny jest reprezentowany przez pewne słowa kodowe, zwane kodonami.

Pierwsze słowo kodowe rozszyfrowali Nirenberg i Mattei w 1961 roku. Otrzymali oni ekstrakt z E. coli zawierający rybosomy i inne czynniki niezbędne do syntezy białek. W rezultacie powstał bezkomórkowy system syntezy białek, który umożliwia składanie białek z aminokwasów, jeśli do pożywki zostanie dodany niezbędny mRNA. Dodając do pożywki syntetyczny RNA składający się wyłącznie z uracyli, odkryli, że powstało białko składające się wyłącznie z fenyloalaniny (polifenyloalaniny). W ten sposób ustalono, że triplet nukleotydów UUU (kodon) odpowiada fenyloalaninie. W ciągu kolejnych 5-6 lat oznaczono wszystkie kodony kodu genetycznego.

Kod genetyczny jest rodzajem słownika, który tłumaczy tekst zapisany za pomocą czterech nukleotydów na tekst białkowy zapisany za pomocą 20 aminokwasów. Pozostałe aminokwasy występujące w białku to modyfikacje jednego z 20 aminokwasów.

Właściwości kodu genetycznego

Kod genetyczny ma następujące właściwości.

1. Potrójny- Każdy aminokwas odpowiada potrójnej nukleotydzie. Łatwo obliczyć, że jest 4 3 = 64 kodonów. Spośród nich 61 ma charakter semantyczny, a 3 to nonsens (terminacja, kodony stop).
2. Ciągłość(brak znaków oddzielających nukleotydy) - brak wewnątrzgenowych znaków interpunkcyjnych;

   W genie każdy nukleotyd jest częścią znaczącego kodonu. W 1961 r Seymour Benzer i Francis Crick eksperymentalnie udowodnili trójdzielną naturę kodu i jego ciągłość (zwartość) [pokazywać]

   

   Istota doświadczenia: Mutacja „+” - insercja jednego nukleotydu. Mutacja „-” – utrata jednego nukleotydu.

   Pojedyncza mutacja („+” lub „-”) na początku genu lub podwójna mutacja („+” lub „-”) psują cały gen.

   Potrójna mutacja („+” lub „-”) na początku genu psuje tylko część genu.

   Poczwórna mutacja „+” lub „-” ponownie psuje cały gen.

   Eksperyment przeprowadzono na dwóch sąsiadujących genach faga i wykazał to

   1. kod jest trójkowy i wewnątrz genu nie ma znaków interpunkcyjnych
   2. pomiędzy genami znajdują się znaki interpunkcyjne
3. Obecność międzygenowych znaków interpunkcyjnych- obecność wśród trójek kodonów inicjujących (rozpoczynają biosyntezę białek) i kodonów terminacyjnych (wskazujących koniec biosyntezy białek);

   Konwencjonalnie kodon AUG, pierwszy po sekwencji liderowej, również należy do znaków interpunkcyjnych. Pełni funkcję dużej litery. W tej pozycji koduje formylometioninę (u prokariotów).

   Na końcu każdego genu kodującego polipeptyd znajduje się co najmniej jeden z 3 kodonów stop, czyli sygnałów stop: UAA, UAG, UGA. Zakończyli transmisję.

4. Współliniowość- zgodność liniowej sekwencji kodonów mRNA i aminokwasów w białku.
5. Specyficzność- każdy aminokwas odpowiada tylko pewnym kodonom, których nie można zastosować dla innego aminokwasu.
6. Jednokierunkowość- kodony odczytywane są w jednym kierunku - od pierwszego nukleotydu do kolejnych
7. Degeneracja lub redundancja, - jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek (aminokwasów - 20, możliwych trójek - 64, 61 z nich jest semantycznych, tj. średnio każdemu aminokwasowi odpowiada około 3 kodonów); wyjątkami są metionina (Met) i tryptofan (Trp).

   Przyczyną degeneracji kodu jest to, że główny ładunek semantyczny przenoszony jest przez pierwsze dwa nukleotydy w trójce, a trzeci nie jest już tak ważny. Stąd reguła degeneracji kodu : Jeśli dwa kodony mają te same pierwsze dwa nukleotydy, a ich trzeci nukleotyd należy do tej samej klasy (puryny lub pirymidyny), wówczas kodują ten sam aminokwas.

   Istnieją jednak dwa wyjątki od tej idealnej reguły. Jest to kodon AUA, który powinien odpowiadać nie izoleucynie, ale metioninie, oraz kodon UGA, który jest kodonem stop, natomiast powinien odpowiadać tryptofanowi. Degeneracja kodu ma oczywiście znaczenie adaptacyjne.

8. Wszechstronność- wszystkie powyższe właściwości kodu genetycznego są charakterystyczne dla wszystkich organizmów żywych.

   Kodon	Kod uniwersalny	Kody mitochondrialne
   		Kręgowce	Bezkręgowce	Drożdże	Rośliny
   UGA	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Trp	Trp	Trp	ZATRZYMYWAĆ SIĘ
   AUA	Ile	Spotkał	Spotkał	Spotkał	Ile
   CUA	Leja	Leja	Leja	Thr	Leja
   AGA.	Argument	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Ser	Argument	Argument
   AGG	Argument	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Ser	Argument	Argument

   Ostatnio zasada uniwersalności kodu została zachwiana w związku z odkryciem przez Berrella w 1979 roku idealnego kodu ludzkich mitochondriów, w którym spełniona jest zasada degeneracji kodu. W kodzie mitochondrialnym kodon UGA odpowiada tryptofanowi, a AUA metioninie, zgodnie z wymogami reguły degeneracji kodu.

   Być może na początku ewolucji wszystkie proste organizmy miały ten sam kod co mitochondria, a potem ulegał on niewielkim odchyleniom.

9. Nie nakładające się- każda z trójek tekstu genetycznego jest od siebie niezależna, jeden nukleotyd zawarty jest tylko w jednej trójce; Na ryc. pokazuje różnicę między nakładającym się i nienakładającym się kodem.

   W 1976 r Zsekwencjonowano DNA faga φX174. Ma jednoniciowy kolisty DNA składający się z 5375 nukleotydów. Wiadomo było, że fag koduje 9 białek. W przypadku 6 z nich zidentyfikowano geny zlokalizowane jeden po drugim.

   Okazało się, że zachodzi nakładanie się. Gen E jest zlokalizowany w całości w obrębie genu D. Jego kodon start pojawia się w wyniku przesunięcia ramki odczytu o jeden nukleotyd. Gen J zaczyna się tam, gdzie kończy się gen D. Kodon start genu J pokrywa się z kodonem stop genu D w wyniku przesunięcia o dwa nukleotydy. Konstrukcja ta nazywana jest „przesunięciem ramki odczytu” ze względu na liczbę nukleotydów, a nie wielokrotność trzech. Do tej pory nakładanie się pokazano tylko w przypadku kilku fagów.

10. Odporność na hałas- stosunek liczby podstawień konserwatywnych do liczby podstawień radykalnych.

    Mutacje podstawienia nukleotydowego, które nie prowadzą do zmiany klasy kodowanego aminokwasu, nazywane są konserwatywnymi. Mutacje podstawienia nukleotydów, które prowadzą do zmiany klasy kodowanego aminokwasu, nazywane są rodnikami.

    Ponieważ ten sam aminokwas może być kodowany przez różne triplety, niektóre podstawienia w tripletach nie prowadzą do zmiany w kodowanym aminokwasie (na przykład UUU -> UUC pozostawia fenyloalaninę). Niektóre podstawienia zmieniają aminokwas na inny z tej samej klasy (niepolarny, polarny, zasadowy, kwasowy), inne podstawienia również zmieniają klasę aminokwasu.

    W każdej trójce można dokonać 9 pojedynczych podstawień, tj. Istnieją trzy sposoby wyboru pozycji do zmiany (pierwsza, druga lub trzecia), a wybraną literę (nukleotyd) można zmienić na 4-1=3 inne litery (nukleotyd). Całkowita liczba możliwych podstawień nukleotydów wynosi 61 na 9 = 549.

    Poprzez bezpośrednie obliczenia z wykorzystaniem tabeli kodów genetycznych można sprawdzić, czy z poniższych: 23 podstawienia nukleotydowe prowadzą do pojawienia się kodonów – terminatorów translacji. 134 podstawienia nie zmieniają kodowanego aminokwasu. 230 podstawień nie zmienia klasy kodowanego aminokwasu. 162 podstawienia prowadzą do zmiany klasy aminokwasów, tj. są radykalne. Spośród 183 podstawień trzeciego nukleotydu 7 prowadzi do pojawienia się terminatorów translacji, a 176 jest konserwatywnych. Spośród 183 podstawień pierwszego nukleotydu 9 prowadzi do pojawienia się terminatorów, 114 jest konserwatywnych, a 60 jest radykalnych. Spośród 183 podstawień drugiego nukleotydu 7 prowadzi do pojawienia się terminatorów, 74 jest konserwatywnych, a 102 jest radykalnych.