Što je genetski kod: opće informacije. Princip kodiranja sekvenci aminokiselina – Hipermarket znanja Svaka aminokiselina odgovara

Oznaka tvorca Filatov Felix Petrovich

Poglavlje 496. Zašto postoji dvadeset kodiranih aminokiselina? (XII)

Zašto postoji dvadeset kodiranih aminokiselina? (XII)

Neiskusnom čitatelju može se učiniti da su elementi stroja za genetsko kodiranje toliko detaljno opisani u prethodnom poglavlju da se pri kraju čitanja čak nekako počeo umarati, osjećajući da je početak knjige, koji ga je donekle zaintrigirao , pretvara se u stranice iz srednjoškolskog udžbenika koje mogu obeshrabriti svakoga tko se toga sjeti matična škola. Iskusni Čitatelj, naprotiv, dobro zna sve što je ispričano, i on, grešan, razmišlja da li da sam napiše noviji udžbenik - za iste starije razrede. Bez razmišljanja da zabavim ponosni svijet– drugim riječima, bez namjere da zamara i jedno i drugo, autor želi naglasiti da razumije: vrag je u detaljima. Ali ima ih toliko mnogo u molekularnoj biologiji da se svaka formalizacija čini kao nečuveno pojednostavljenje. No, često se događa da je iskušenje formaliziranja neodoljivo, a ovdje si autor ne može uskratiti zadovoljstvo da još jednom citira španjolskog filozofa Joséa Ortegu y Gasseta:

« Siva boja je asketska. To je njegova simbolika u svakodnevnom jeziku, a Goethe nagovještava taj simbol: “Teorija je, prijatelju, suha, ali drvo života zeleni”. Najviše što boja koja ne želi biti boja može učiniti jest postati siva; ali život se čini kao zeleno stablo – kakva ekstravagancija!.. Elegantna želja da više volimo sivu boju od divne i kontradiktorne kolorističke ekstravagancije života navodi nas na teoretiziranje. U teoriji, stvarnost mijenjamo za njen aspekt, a to su pojmovi. Umjesto da živimo u njoj, mi o njoj razmišljamo. Ali tko zna krije li se iza ovog očitog asketizma i povlačenja iz života, što je čisto mišljenje, najcjelovitiji oblik vitalnosti, njezin najveći luksuz?

- Bravo, Jose! Upravo to mislim - čak sam i uvjeren u to.

Glavni, iako manjeg obujma, ostatak knjige, kojem se autor sada okreće, posvećen je formalizaciji, teoretiziranju, shemama i dizajnu genetskog koda. Prva formalna hipoteza o strukturi genetskog koda daje mogući odgovor na pitanje zašto postoji točno dvadeset kodiranih aminokiselina .

Godine 1954. Gamow je prvi pokazao da " kada se 4 nukleotida spoje u triplete dobiju se 64 kombinacije što je sasvim dovoljno za bilježenje nasljedne informacije" Bio je prvi koji je predložio da su aminokiseline kodirane tripletima nukleotida i izrazio nadu da će “Neki od mlađih znanstvenika doživjet će da ga [genetski kod] dešifrira”. Godine 1968. dobili su Amerikanci Robert Holley, Har Korana i Marshall Nirenberg Nobelova nagrada za dešifriranje genetskog koda. Nagrada je dodijeljena nakon smrti Georgea Gamowa iste godine četiri mjeseca ranije.

Brojevi 64 (teoretski kapacitet koda) i 20 (stvarni kapacitet kodiranja, odnosno broj kodiranih aminokiselina) čine omjer kombinatoričkih pravila za rasporede i kombinacije s ponavljanjima: broj A rasporeda (uređenih skupova) s ponavljanjima od r (r = 3; veličina kodona) elemenata skupa M koji sadrži k (k = 4; broj baza) elemenata jednak je

A k r= k r= A 4 3= 64,

a broj C kombinacija s ponavljanjima od k elemenata u r, tj. bilo koji podskup od 3 elementa skupa koji sadrži 4 elementa, jednak je:

Sa k r= [(k+r-1)!] : = C 4 3= 20.

To odmah dovodi do ideje da bi evolucija genetskog koda mogla započeti s fazom "set" kodiranja, kada proizvod nije bio kodiran nizom tripletnih baza, već njihovim skupom, to jest dvjema skupinama kodona, kao što je npr. SAA, KAO, AAS ili TGC, TCG, GCT, GTC, CTG, CGT bili funkcionalno ekvivalentni (unutar skupine) i svaki je usmjeravao sintezu iste aminokiseline. Slična razmišljanja padaju na pamet čitajući rad Ishigamija i Nagana (1975), s njihovom idejom da svaka primarna aminokiselina može odgovarati širokom rasponu kodona, te Folsoma (1977) i Trainora (1984), s njihovom idejom permutacija baze unutar tripleta. Očito, manji broj kodona nije omogućio potrebnu raznolikost proizvoda, i b O Ostatak je bio suvišan i barem nije odgovarao broju danas poznatih aminokiselina. Svojevremeno smo i mi dali (vrlo) skroman doprinos ovim idejama, uz napomenu da je broj kombinacija 4 Po 3 s ponavljanjima ilustriranim brojem kvantna stanja Boseov plin od tri čestice s četiri vjerojatna kvantna svojstvena stanja54.

Kasnije je Gamow predložio shemu za implementaciju genetskog koda, koja je uključivala sastavljanje polipeptida izravno na molekulu DNK. Prema ovom modelu, svaka aminokiselina smještena je u rombično udubljenje između četiri nukleotida, po dva iz svakog komplementarnog lanca. Iako se takav dijamant sastoji od četiri nukleotida, pa je stoga broj kombinacija 256, zbog ograničenja vezanih uz vodikove veze nukleotidnih ostataka, moguće je samo 20 varijanti takvih dijamanata. Ova shema, tzv dijamantni kod, sugerira korelaciju između uzastopnih aminokiselinskih ostataka, budući da se dva nukleotida uvijek pojavljuju u dva susjedna dijamanta (preklapajući kod). Daljnja istraživanja pokazala su, međutim, da se ni ovaj Gamowljev model ne slaže s eksperimentalnim podacima.

Kad bi se kapacitet genetskog koda koristio bez rezerve, to jest samo jedna aminokiselina odgovarala bi svakom tripletu, njegova bi sigurnost bila vrlo upitna: svaka mutacija nukleotida mogla bi biti katastrofalna. U slučaju trenutne verzije, trećina slučajnih točkastih mutacija događa se u zadnjim slovima kodona, od kojih polovica (kodoni okteta ja) uopće nije osjetljiv na mutacije: treće slovo kodona može biti bilo koje od četiri - T, C, A ili G. Otpornost na točkaste mutacije oktet kodona II uvelike određuju dva čimbenika - (1) mogućnost proizvoljne zamjene treće baze (iako pri izboru samo od dvije - bilo purina ili pirimidina), koja uopće ne mijenja kodiranu aminokiselinu, i (2) mogućnost zamjene purina pirimidinima i obrnuto, čime se zadržava slična hidrofilnost/hidrofobnost proizvoda, iako se ne čuva njihova masa. Dakle, Priroda koristi izuzetno uspješnu "povratnu reakciju" tzv izrođenost kod, kada kodirani znak odgovara više od jednog znaka za kodiranje.

Evolucija je sukcesivno rafinirala funkcije svake od tri baze kodona, što je u konačnici dovelo do striktne trostrukosti od samo dva kodona: ATG- Za M(metionin) i TTG- Za W(triptofan). Na temelju sposobnosti trojke da samo kodira jedan aminokiselina, ove dvije svrstavamo u skupinu degeneracije ja. Kada je proizvod kodiran fiksnim dubletom baza, a treća može biti bilo koja od četiri moguće i zapravo služi kao separator između funkcionalnih dubleta, govore o aminokiselinama degenerativne skupine IV; Postoji osam takvih aminokiselina: alanin, A, arginin, R, valin, V, glicin, G, leucin, L, prolin, P, serin, S, treonin, T. Generalizirani kodon za svaku aminokiselinu u ovoj skupini, na primjer, leucin, zapisan je na sljedeći način: STN (N -arbitrarna osnova).

Dvanaest kodiranih proizvoda pripada skupini degeneracije II; u ovoj skupini treća baza je jedna od dva (ne od četiri, kao u prethodnom slučaju): ovo je purin ( R), odnosno ili adenin, A, ili guanin, G, – ili pirimidin ( Y), odnosno ili citozin, S, ili timidin, T. Ova skupina uključuje tri aminokiseline koje su nam poznate iz četvrte skupine degeneracija - arginin, leucin i serin, ali ovdje kodirane drugim dubletima, dva para - asparagin / asparaginska kiselina ( N/D), i glutamin/glutaminska kiselina ( Q/E), kao i histidin H, lizin K i tirozin Y. Univerzalni genetski kod također uključuje cistein u ovu skupinu. S, sa svoja dva trojca kodiranja – TGC I TGT, odnosno s trećim pirimidinom, kao i tri stop kodona, OZNAČITI, TAA I TGA, koji djeluju samo kao interpunkcijski znakovi za označavanje kraja gena, ali ne kodiraju nijednu aminokiselinu. Generalizirani kodon za aminokiseline ove skupine, na primjer, asparagin, napisan je na sljedeći način: AAY i asparaginska kiselina – G.A.R..

Na kraju, grupa degeneracija III sadrži izoleucin, kodiran tri trojke ATA, ATC I A.T.T.. Razlozi A, S I T, treći u kodonima za ja, imaju zajednički simbol N, pa se generalizirani kodon izoleucina piše kao: ATN. Sve te značajke koda dobro su ilustrirane u gornjoj tablici.

Zanimljivo je da je molekularna težina kodirane aminokiseline obrnuto ovisna o broju skupine degeneracije kojoj pripada (V. Shcherbak). Ovo je prvi ovdje zabilježeni dokaz očite upletenosti Molekularna težina komponente genetskog koda na njegovu racionalnu organizaciju.

U gornjoj tablici, poredak prema rastućoj molekularnoj težini odnosi se na aminokiseline u sastavu poredane prema brojevima skupina degeneracije (rimski brojevi), grupiranih u dva okteta (arapski brojevi). U ovom slučaju, položaj cisteina S prilagođeno, o čemu će biti riječi u sljedećem poglavlju; Tamo ćemo također govoriti o oktetima.

Vraćajući se izboru dvadeset aminokiselina za kodiranje, vrijedi napomenuti još jednu stvar zanimljiva okolnost: Ovaj izbor također može biti određen kvantnom informacijskom teorijom, koja predlaže optimalan algoritam (Groverov algoritam) za pakiranje i čitanje informacijskog sadržaja DNK (Apoorva Patel, 2001). Ovaj algoritam određuje broj objekata N, razlikuju se po broju odgovora Ne baš na pitanja Q, na sljedeći način:

(2Q +1) sin -1 (1 / ?N ) = ? /2 .

Rješenja ove jednadžbe za male vrijednosti Q vrlo karakteristično:

Q= 1ln N= 04.0

Q= 2ln N= 10.5

Q= 3ln N= 20.2.

U teoriji, ove vrijednosti ne moraju biti cijeli brojevi. Zanimljivo, u prvoj aproksimaciji, oni odgovaraju nizu tetraedarskih brojeva, kao i evoluciji veličine funkcionalnog kodona od singleta do tripleta. Drugim riječima, tetraedar se može graditi i od deset i od četiri monomera; Ovi brojevi su označeni u rješenjima gornje jednadžbe. Kasnije ćemo pokazati da kombinacija dimenzijskih parametara aminokiselina i nukleotida, na temelju pravila koja predlažemo, dovodi do prostorne ravnoteže tetraedra od dvadeset monomera koji odgovaraju tim aminokiselinama. Ovdje se možda vrijedi prisjetiti još uvijek aktualnih riječi V?sea (1973.): “ Čini se gotovo okrutnom šalom da je priroda izabrala takav broj[kodiran] aminokiselina, koja se lako dobiva kao rezultat mnogih

matematičke operacije" No, na ovaj ili onaj način, pokazalo se da je dvadeset alfa aminokiselina (od stotina pronađenih u prirodi) dovoljno da osigura potrebnu raznolikost proteina.

…………………

Broj 496 , koji obilježava ovo poglavlje, zanimljiv je po tome što pripada klasi tzv savršeni brojevi i to je jedina stvar troznamenkasti savršen broj. Zovu ga savršenim prirodni broj, jednak zbroju svi njegovi vlastiti djelitelji (tj. svi pozitivni djelitelji osim samog broja). Zbroj svih djelitelja broja 496 , odnosno 1+2+4+8+16+31+62+124+248, jednako je samom sebi. Upamtili smo savršene brojeve i primjećujemo jedinstvenost ovog određenog broja, jer je, prvo, on troznamenkasti - kao i troznamenkasti kodni elementi o kojima govorimo, i drugo, kao i svi prethodni ovdje spomenuti brojevi, on je slučajan ili ne – karakterizira jedan od formalnih parametara genetskog koda, o čemu ćemo dalje raspravljati. Strpljenje čitatelja nije neograničeno, a autor u tom smislu podsjeća na izvadak iz pisma jednog od čitatelja poznatom popularizatoru matematike Martinu Gardneru: Prestanite tražiti zanimljive brojeve! Ostavite barem jedan nezanimljiv broj za interes! Ali iskušenje je veliko i teško mu je odoljeti.

Iz knjige Najnovija knjigačinjenice. Svezak 1 [Astronomija i astrofizika. Geografija i druge znanosti o Zemlji. Biologija i medicina] Autor

Iz knjige Putovanje u prošlost Autor Golosnicki Lev Petrovič

Prije dvadeset pet milijuna godina Vruće je srpanjsko poslijepodne u kazahstanskoj stepi. Sve je obasjano suncem: brdovita ravnica, jezera smještena u udubinama i obrubljena trskom, žuta područja obrasla saksaulom strmo se spuštaju prema jezerima

Iz knjige Farmaceutska i prehrambena mafija od strane Brouwera Louisa

Dvadeset glavnih razloga za oslobađanje od služenja vojnog roka u svim regrutnim središtima za 1986. godinu Br. Oboljenja i patološka stanja Broj osoba oslobođenih od služenja vojnog roka Odnos osoba oslobođenih od služenja vojnog roka prema osobama sposobnim za službu

Iz knjige STVARATELJEV PEČAT. Hipoteza o postanku života na Zemlji. Autor Filatov Feliks Petrovič

Poglavlje 496. Zašto postoji dvadeset kodiranih aminokiselina? (XII) Neiskusnom čitatelju može se učiniti da su elementi stroja za genetsko kodiranje opisani u prethodnom poglavlju tako detaljno da se do kraja čitanja čak počeo nekako umarati, osjećajući da je pomalo

Iz knjige Lozinka ukrštenih antena Autor Khalifman Joseph Aronovich

DVADESET PET GODINA KASNIJE Godine prolaze, a sićušna embrionalna komora veličine naprstka izgubljena u tlu raste i postaje primjetan brežuljak. Odozgo je čvrsto obložen glinom, pijeskom, cementom, au ovom bloku, izvana mrtav i nijem kao kamen, teče

Iz knjige Najnovija knjiga činjenica. Svezak 1. Astronomija i astrofizika. Geografija i druge znanosti o Zemlji. Biologija i medicina Autor Kondrašov Anatolij Pavlovič

Što znači izraz "dvadeset peti okvir"? Ovaj se izraz prvi put pojavio sredinom prošlog stoljeća u SAD-u i vezan uz kinematografiju. Činjenica je da filmska kamera i, sukladno tome, projekcijska filmska kamera pomiču film brzinom od 24 sličice u sekundi. Ali 1957. god

Iz knjige Biološka kemija Autor Lelevič Vladimir Valerijanovič

Iz autorove knjige

Poglavlje 23. Metabolizam aminokiselina. Dinamičko stanje tjelesnih bjelančevina Važnost aminokiselina za organizam prije svega leži u činjenici da se one koriste za sintezu bjelančevina čiji metabolizam zauzima posebno mjesto u metaboličkim procesima između tijela i

Iz autorove knjige

Apsorpcija aminokiselina. Javlja se do aktivni transport uz sudjelovanje vektora. Maksimalna koncentracija aminokiselina u krvi postiže se 30-50 minuta nakon unosa proteinskog obroka. Prijenos kroz četkastu granicu provodi niz vektora, mnogo

Iz autorove knjige

Nasljedni poremećaji transporta aminokiselina Hartnupova bolest je poremećaj apsorpcije triptofana u crijevu i njegove reapsorpcije u bubrežnim tubulima. Budući da triptofan služi kao početni proizvod za sintezu vitamina PP, glavne manifestacije Hartnupove bolesti su

Iz autorove knjige

Putovi metabolizma aminokiselina u tkivima Aminokiseline su bifunkcionalni spojevi koji sadrže aminsku i karboksilnu skupinu. Reakcije u ovim skupinama su zajedničke za različite aminokiseline. Ovo uključuje: 1. na aminsku skupinu – reakcije deaminacije i

Iz autorove knjige

Transaminacija aminokiselina Transaminacija je reakcija prijenosa a-amino skupine s aminokiseline na a-keto kiselinu, što rezultira stvaranjem nove keto kiseline i nove aminokiseline. Reakcije kataliziraju enzimi aminotransferaze. To su složeni enzimi, koenzim

Iz autorove knjige

Deaminacija aminokiselina Deaminacija aminokiselina je reakcija eliminacije a-amino skupine iz aminokiseline uz oslobađanje amonijaka. Postoje dvije vrste reakcija deaminacije: izravna i neizravna deaminacija je izravna eliminacija amino skupine iz

Iz autorove knjige

Neizravna deaminacija aminokiselina Većina aminokiselina nije sposobna deaminirati u jednom koraku, poput glutamata. Amino skupine takvih aminokiselina prenose se u β-ketoglutarat kako bi se formirala glutaminska kiselina, koja se zatim podvrgava izravnoj

Iz autorove knjige

Dekarboksilacija aminokiselina Neke aminokiseline i njihovi derivati ​​mogu biti podvrgnuti dekarboksilaciji. Reakcije dekarboksilacije su ireverzibilne i katalizirane su enzimima dekarboksilaze, koji zahtijevaju piridoksal fosfat kao koenzim.

Iz autorove knjige

Poglavlje 25. Metabolizam pojedinih aminokiselina Metabolizam metionina Metionin je esencijalna aminokiselina. Metilna skupina metionina mobilni je fragment s jednim ugljikom koji se koristi za sintezu brojnih spojeva. Prijenos metilne skupine metionina na odgovarajuću

Kada je potrebno sintetizirati proteine, pred stanicom se pojavljuje jedan ozbiljan problem - informacije u DNK pohranjene su u obliku sekvence kodirane 4 znaka(nukleotidi), a proteini se sastoje od 20 različitih simbola(aminokiseline). Ako pokušate upotrijebiti sva četiri simbola odjednom za kodiranje aminokiselina, dobit ćete samo 16 kombinacija, dok proteinogenih aminokiselina ima 20. Nema ih dovoljno...

Postoji primjer briljantnog razmišljanja o ovom pitanju:

"Uzmimo, na primjer, špil igraćih karata, u kojem pazimo samo na boju karte. Koliko trojki iste vrste možete dobiti? Četiri, naravno: trojka herc, tri karo, tri pik i tri tref. Koliko ima trojki s dvije karte u istoj boji i jednom u drugoj boji? Recimo da imamo četiri izbora za treću kartu. Stoga imamo 4x3 = 12 mogućnosti. Osim toga imamo četiri trojke sa sve tri različite karte. Dakle, 4+12+4=20, a ovo je točan broj aminokiselina koje smo željeli dobiti“ (George Gamow, eng. George Gamow, 1904.-1968., sovjetski i američki teorijski fizičar, astrofizičar i popularizator znanosti).

Doista, eksperimenti su dokazali da za svaku aminokiselinu postoje dva obavezna nukleotida i treća varijabla, manje specifična (" učinak ljuljanja"). Ako uzmete tri znaka od četiri, dobit ćete 64 kombinacije, što uvelike premašuje broj aminokiselina. Dakle, utvrđeno je da je svaka aminokiselina kodirana s tri nukleotida. Ovaj trio je tzv. kodon. Kao što je već spomenuto, postoje 64 opcije. Tri od njih ne kodiraju niti jednu aminokiselinu, to su tzv. besmisleni kodoni"(Francuski) besmisao- besmislica) ili "stop kodoni".

Genetski kod

Genetski (biološki) kod je način kodiranja informacija o strukturi proteina u obliku slijed nukleotida. Dizajniran je za prevođenje jezika nukleotida od četiri znaka (A, G, U, C) u jezik aminokiselina od dvadeset znakova. Ima karakteristične karakteristike:

  • Trostrukost– tri nukleotida tvore kodon koji kodira aminokiselinu. Postoji ukupno 61 osjetilni kodon.
  • Specifičnost(ili jednoznačnost) – svaki kodon odgovara samo jednoj aminokiselini.
  • Izrođenost– jednoj aminokiselini može odgovarati nekoliko kodona.
  • Svestranost– biološki kod je isti za sve vrste organizama na Zemlji (međutim, postoje iznimke u mitohondrijima sisavaca).
  • Kolinearnost– sekvenca kodona odgovara sekvenci aminokiselina u kodiranom proteinu.
  • Bez preklapanja– trojke se ne preklapaju, nalaze se jedna pored druge.
  • Nema interpunkcijskih znakova– nema dodatnih nukleotida niti bilo kakvih drugih signala između tripleta.
  • Jednosmjernost– tijekom sinteze proteina kodoni se čitaju sekvencijalno, bez preskakanja ili vraćanja unazad.

Međutim, jasno je da se biološki kod ne može izraziti bez dodatnih molekula koje obavljaju prijelaznu funkciju ili funkcija adaptera.

Adapterska uloga prijenosnih RNA

Prijenosne RNA su jedini posrednici između niza od 4 slova nukleinske kiseline i niz proteina od 20 slova.

Svaka prijenosna RNA ima specifičnu tripletnu sekvencu u antikodonskoj petlji ( antikodon) i može pričvrstiti samo aminokiselinu koja odgovara ovom antikodonu. Prisutnost jednog ili drugog antikodona u tRNA određuje koja će aminokiselina biti uključena proteinska molekula, jer ni ribosom ni mRNA ne prepoznaju aminokiselinu.

Tako, adaptorska uloga tRNA je:

  1. u specifičnom vezanju za aminokiseline,
  2. specifično, prema interakciji kodon-antikodon, vezanje na mRNA,
  3. i, kao rezultat, u ugradnju aminokiselina u proteinski lanac u skladu s informacijama u mRNA.

Dodavanje aminokiseline na tRNA provodi enzim aminoacil-tRNA sintetaza, koji ima specifičnost za dva spoja istovremeno: bilo koju aminokiselinu i njezinu odgovarajuću tRNA. Reakcija zahtijeva dvije visokoenergetske ATP veze. Aminokiselina se veže za 3" kraj tRNA akceptorske petlje preko svoje α-karboksilne skupine, a veza između aminokiseline i tRNA postaje makroergički. α-amino skupina ostaje slobodna.

Nukleotidi DNA i RNA
  1. Purini: adenin, gvanin
  2. Pirimidin: citozin, timin (uracil)

kodon- triplet nukleotida koji kodira određenu aminokiselinu.
tab. 1. Aminokiseline koje se obično nalaze u proteinima
Ime Skraćenica
1. AlaninAla
2. ArgininArg
3. AsparaginAsn
4. Asparaginska kiselinaAsp
5. CisteinCys
6. Glutaminska kiselinaGlu
7. GlutaminGln
8. GlicinGly
9. HistidinNjegovo
10. IzoleucinIle
11. LeucinLeu
12. LizinLys
13. MetioninMet
14. FenilalaninPhe
15. Prolinprofesionalac
16. SerijaSer
17. TreoninThr
18. TriptofanTrp
19. TirozinTyr
20. ValinVal

Genetski kod, koji se naziva i kod aminokiselina, sustav je za bilježenje informacija o slijedu aminokiselina u proteinu pomoću slijeda nukleotidnih ostataka u DNK koji sadrže jednu od 4 dušične baze: adenin (A), gvanin (G ), citozin (C) i timin (T). Međutim, budući da dvolančana spirala DNA nije izravno uključena u sintezu proteina koji je kodiran jednim od ovih lanaca (tj. RNA), kod je napisan jezikom RNA, koji umjesto toga sadrži uracil (U) od timina. Iz istog razloga, uobičajeno je reći da je kod niz nukleotida, a ne parovi nukleotida.

Genetski kod predstavljen je određenim kodnim riječima, koje se nazivaju kodoni.

Prvu kodnu riječ dešifrirali su Nirenberg i Mattei 1961. Dobili su ekstrakt iz E. coli koji je sadržavao ribosome i druge čimbenike potrebne za sintezu proteina. Rezultat je bio sustav za sintezu proteina bez stanica, koji je mogao sastaviti proteine ​​iz aminokiselina ako se u medij doda potrebna mRNA. Dodavanjem sintetičke RNA koja se sastoji samo od uracila u medij, otkrili su da je formiran protein koji se sastoji samo od fenilalanina (polifenilalanin). Tako je utvrđeno da triplet nukleotida UUU (kodon) odgovara fenilalaninu. Tijekom sljedećih 5-6 godina određeni su svi kodoni genetskog koda.

Genetski kod je neka vrsta rječnika koji tekst napisan s četiri nukleotida prevodi u proteinski tekst napisan s 20 aminokiselina. Preostale aminokiseline koje se nalaze u proteinima su modifikacije jedne od 20 aminokiselina.

Svojstva genetskog koda

Genetski kod ima sljedeća svojstva.

  1. Trostrukost- Svaka aminokiselina odgovara trostrukom nukleotidu. Lako je izračunati da postoji 4 3 = 64 kodona. Od toga je 61 semantički, a 3 besmislena (terminacijski, stop kodoni).
  2. Kontinuitet(nema znakova razdvajanja između nukleotida) - odsutnost unutargenih interpunkcijskih znakova;

    Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona. Godine 1961 Seymour Benzer i Francis Crick eksperimentalno su dokazali tripletnu prirodu koda i njegov kontinuitet (kompaktnost) [pokazati]

    Suština eksperimenta: “+” mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija - gubitak jednog nukleotida.

    Jedna mutacija ("+" ili "-") na početku gena ili dvostruka mutacija ("+" ili "-") kvari cijeli gen.

    Trostruka mutacija ("+" ili "-") na početku gena kvari samo dio gena.

    Četverostruka mutacija "+" ili "-" opet kvari cijeli gen.

    Eksperiment je proveden na dva susjedna gena faga i pokazao je da

    1. kod je triplet i unutar gena nema interpunkcije
    2. među genima postoje interpunkcijski znakovi
  3. Prisutnost intergenskih interpunkcijskih znakova- prisutnost između tripleta inicijacijskih kodona (oni započinju biosintezu proteina) i kodona terminatora (označuju kraj biosinteze proteina);

    Konvencionalno, kodon AUG, prvi nakon vodeće sekvence, također pripada interpunkcijskim znakovima. Funkcionira kao veliko slovo. U tom položaju kodira formilmetionin (kod prokariota).

    Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 stop kodona, odnosno stop signala: UAA, UAG, UGA. Prekidaju emitiranje.

  4. Kolinearnost- podudarnost linearnog slijeda kodona mRNA i aminokiselina u proteinu.
  5. Specifičnost- svaka aminokiselina odgovara samo određenim kodonima koji se ne mogu koristiti za drugu aminokiselinu.
  6. Jednosmjernost- kodoni se čitaju u jednom smjeru - od prvog nukleotida prema sljedećim
  7. Degeneracija ili redundancija, - jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko tripleta (aminokiseline - 20, mogući tripleti - 64, od kojih je 61 semantička, tj. u prosjeku svaka aminokiselina odgovara oko 3 kodona); iznimka su metionin (Met) i triptofan (Trp).

    Razlog degeneriranosti koda je taj što glavno semantičko opterećenje nose prva dva nukleotida u tripletu, a treći nije toliko bitan. Odavde pravilo degeneracije koda : Ako dva kodona imaju ista prva dva nukleotida, a njihovi treći nukleotidi pripadaju istoj klasi (purin ili pirimidin), tada oni kodiraju istu aminokiselinu.

    Međutim, postoje dvije iznimke od ovog idealnog pravila. To je AUA kodon, koji ne bi trebao odgovarati izoleucinu, već metioninu, i UGA kodon, koji je stop kodon, dok bi trebao odgovarati triptofanu. Degeneracija koda očito ima adaptivno značenje.

  8. Svestranost- sva navedena svojstva genetskog koda karakteristična su za sve žive organizme.
    kodon Univerzalni kod Mitohondrijske šifre
    Kralježnjaci Beskičmenjaci Kvasac Bilje
    U.G.A.STOPTrpTrpTrpSTOP
    AUAIleMetMetMetIle
    CUALeuLeuLeuThrLeu
    A.G.A.ArgSTOPSerArgArg
    AGGArgSTOPSerArgArg

    Nedavno je načelo univerzalnosti koda uzdrmano u vezi s otkrićem Berrella 1979. idealnog koda ljudskih mitohondrija, u kojem je zadovoljeno pravilo degeneracije koda. U mitohondrijskom kodu, UGA kodon odgovara triptofanu, a AUA metioninu, kako zahtijeva pravilo degeneracije koda.

    Možda su na početku evolucije svi jednostavni organizmi imali isti kod kao i mitohondriji, a zatim je prošao kroz mala odstupanja.

  9. Bez preklapanja- svaki od tripleta genetskog teksta je neovisan jedan o drugom, jedan nukleotid je uključen samo u jedan triplet; Na sl. pokazuje razliku između koda koji se preklapa i koda koji se ne preklapa.

    Godine 1976 Sekvencirana je DNA faga φX174. Ima jednolančanu kružnu DNK koja se sastoji od 5375 nukleotida. Poznato je da fag kodira 9 proteina. Za 6 od njih identificirani su geni smješteni jedan iza drugog.

    Pokazalo se da postoji preklapanje. Gen E nalazi se u potpunosti unutar gena D. Njegov početni kodon pojavljuje se kao rezultat pomaka okvira za jedan nukleotid. Gen J počinje tamo gdje završava gen D. Početni kodon gena J preklapa se sa stop kodonom gena D kao rezultat pomaka od dva nukleotida. Konstrukcija se naziva "pomak okvira čitanja" za broj nukleotida koji nije višekratnik tri. Do danas je preklapanje pokazano samo za nekoliko faga.

  10. Otpornost na buku- omjer broja konzervativnih supstitucija prema broju radikalnih supstitucija.

    Nukleotidne supstitucijske mutacije koje ne dovode do promjene u klasi kodirane aminokiseline nazivaju se konzervativnim. Nukleotidne supstitucijske mutacije koje dovode do promjene u klasi kodirane aminokiseline nazivaju se radikalne.

    Budući da ista aminokiselina može biti kodirana različitim tripletima, neke supstitucije u tripletima ne dovode do promjene u kodiranoj aminokiselini (na primjer, UUU -> UUC napušta fenilalanin). Neke supstitucije mijenjaju aminokiselinu drugom iz iste klase (nepolarne, polarne, bazične, kisele), druge supstitucije također mijenjaju klasu aminokiseline.

    U svakom tripletu može se napraviti 9 pojedinačnih zamjena, tj. Postoje tri načina odabira pozicije za promjenu (1. ili 2. ili 3.), a odabrano slovo (nukleotid) može se promijeniti u 4-1=3 druga slova (nukleotid). Ukupan broj mogućih zamjena nukleotida je 61 sa 9 = 549.

    Izravnim izračunom pomoću tablice genetskog koda možete provjeriti da od ovih: 23 nukleotidne supstitucije dovode do pojave kodona - terminatora prijevoda. 134 supstitucije ne mijenjaju kodiranu aminokiselinu. 230 supstitucije ne mijenjaju klasu kodirane aminokiseline. 162 supstitucije dovode do promjene u klasi aminokiselina, tj. su radikalni. Od 183 supstitucije 3. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora translacije, a 176 je konzervativnih. Od 183 supstitucije prvog nukleotida, 9 dovodi do pojave terminatora, 114 je konzervativnih, a 60 radikalnih. Od 183 supstitucije 2. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora, 74 su konzervativne, 102 su radikalne.


To je metoda u kojoj se informacija o sekvenci od dvadeset aminokiselina kodira pomoću sekvence od četiri nukleotida.

Svojstva genskog koda

1) Trostrukost
Jednu aminokiselinu kodiraju tri nukleotida. U DNA se nazivaju triplet, u mRNA - kodon, u tRNA - antikodon. Ukupno ima 64 tripleta, od kojih 61 kodira aminokiseline, a 3 su stop signali - pokazuju ribosomu mjesto gdje treba stati sinteza proteina.

2) Degeneracija (redundancija)
Postoji 61 kodon koji kodira aminokiseline, ali samo 20 aminokiselina, tako da je većina aminokiselina kodirana s više kodona. Na primjer, aminokiselinu alanin kodiraju četiri kodona - HCU, HCC, HCA, HCH. Izuzetak je metionin, on je kodiran jednim kodonom AUG - kod eukariota je to početni kodon tijekom translacije.

3) Jednoznačnost
Svaki kodon kodira samo jednu aminokiselinu. Na primjer, HCU kodon kodira samo jednu aminokiselinu – alanin.

4) Kontinuitet
Nema razdjelnika ("interpunkcijskih znakova") između pojedinih trojki. Zbog toga, kada se ispusti ili umetne jedan nukleotid, dolazi do "pomaka okvira čitanja": počevši od mjesta mutacije, čitanje tripletnog koda je poremećeno i sintetiziran je potpuno drugačiji protein.

5) Svestranost
Genetski kod je isti za sve žive organizme na Zemlji.

U svakoj stanici i organizmu sve anatomske, morfološke i funkcionalne značajke određene su strukturom proteina koji ih čine. Nasljedno svojstvo tijela je sposobnost sintetiziranja određenih proteina. Aminokiseline se nalaze u polipeptidnom lancu, o čemu ovise biološke karakteristike.
Svaka stanica ima svoj slijed nukleotida u polinukleotidnom lancu DNA. Ovo je genetski kod DNK. Preko njega se bilježe informacije o sintezi određenih proteina. O tome što je genetski kod, o njegovim svojstvima i genetske informacije raspravlja se u ovom članku.

Malo povijesti

Ideju da bi mogao postojati genetski kod formulirali su J. Gamow i A. Down sredinom dvadesetog stoljeća. Opisali su da nukleotidna sekvenca odgovorna za sintezu određene aminokiseline sadrži najmanje tri jedinice. Kasnije su dokazali točan broj od tri nukleotida (to je jedinica genetskog koda), koji je nazvan triplet ili kodon. Ukupno ima šezdeset i četiri nukleotida, jer je molekula kiseline u kojoj se nalazi RNK sastavljena od četiri različita nukleotidna ostatka.

Što je genetski kod

Metoda kodiranja slijeda aminokiselinskih proteina zbog slijeda nukleotida karakteristična je za sve žive stanice i organizme. To je genetski kod.
Postoje četiri nukleotida u DNK:

  • adenin - A;
  • gvanin - G;
  • citozin - C;
  • timin - T.

Označavaju se velikim latiničnim ili (u literaturi na ruskom jeziku) ruskim slovima.
RNK također sadrži četiri nukleotida, ali jedan od njih se razlikuje od DNK:

  • adenin - A;
  • gvanin - G;
  • citozin - C;
  • uracil - U.

Svi nukleotidi raspoređeni su u lance, pri čemu DNA ima dvostruku spiralu, a RNA jednostruku spiralu.
Proteini su izgrađeni na mjestu gdje oni, smješteni u određenom nizu, određuju njegova biološka svojstva.

Svojstva genetskog koda

Trostrukost. Jedinica genetskog koda sastoji se od tri slova, to je triplet. To znači da je dvadeset aminokiselina koje postoje kodirano s tri specifična nukleotida koji se nazivaju kodoni ili trilpeti. Postoje šezdeset četiri kombinacije koje se mogu stvoriti od četiri nukleotida. Ova količina je više nego dovoljna za kodiranje dvadeset aminokiselina.
Izrođenost. Svaka aminokiselina odgovara više od jednog kodona, s izuzetkom metionina i triptofana.
Jednoznačnost. Jedan kodon kodira jednu aminokiselinu. Na primjer, u gen zdrava osoba s informacijama o beta meti hemoglobina, triplet GAG i GAA kodira A kod svakoga s anemijom srpastih stanica, jedan nukleotid je promijenjen.
Kolinearnost. Redoslijed aminokiselina uvijek odgovara nizu nukleotida koje gen sadrži.
Genetski kod je kontinuiran i kompaktan, što znači da nema interpunkcijskih znakova. To jest, počevši od određenog kodona, dolazi do kontinuiranog čitanja. Na primjer, AUGGGUGTSUUAAUGUG će se čitati kao: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Ali ne AUG, UGG i tako dalje ili bilo što drugo.
Svestranost. Isti je za apsolutno sve kopnene organizme, od ljudi do riba, gljivica i bakterija.

Stol

Nisu sve dostupne aminokiseline uključene u prikazanu tablicu. Hidroksiprolin, hidroksilizin, fosfoserin, jodni derivati ​​tirozina, cistina i neki drugi su odsutni, budući da su oni derivati ​​drugih aminokiselina kodiranih m-RNA i nastalih nakon modifikacije proteina kao rezultat translacije.
Iz svojstava genetskog koda poznato je da je jedan kodon sposoban kodirati jednu aminokiselinu. Iznimka je genetski kod koji obavlja dodatne funkcije i kodira valin i metionin. MRNA, koja se nalazi na početku kodona, veže t-RNA, koja nosi formilmetion. Nakon završetka sinteze, on se odcjepljuje i sa sobom odnosi formilni ostatak, pretvarajući se u metioninski ostatak. Dakle, gore navedeni kodoni su inicijatori sinteze polipeptidnog lanca. Ako nisu na početku, onda se ne razlikuju od ostalih.

Genetske informacije

Ovaj koncept označava program svojstava koji se prenosi od predaka. Usađen je u nasljeđe kao genetski kod.
Genetski kod se realizira tijekom sinteze proteina:

  • glasnička RNA;
  • ribosomska rRNA.

Informacije se prenose izravnom komunikacijom (DNA-RNA-protein) i obrnutom komunikacijom (medij-protein-DNA).
Organizmi ga mogu najučinkovitije primiti, pohraniti, prenijeti i iskoristiti.
Informacije koje se prenose nasljeđem određuju razvoj određenog organizma. Ali zbog interakcije sa okoliš reakcija potonjeg je iskrivljena, zbog čega dolazi do evolucije i razvoja. Na taj se način u tijelo unose nove informacije.


Izračunavanje zakona molekularne biologije i otkriće genetskog koda ilustrirali su potrebu spajanja genetike s Darwinovom teorijom, na temelju koje je nastala sintetička teorija evolucije - neklasična biologija.
Nasljednost, varijabilnost i prirodni odabir Darwinove ideje dopunjene su genetski uvjetovanom selekcijom. Evolucija se ostvaruje na genetskoj razini slučajnim mutacijama i nasljeđivanjem najvrjednijih osobina koje su najprilagođenije okolini.

Dekodiranje ljudskog koda

U devedesetima je pokrenut Projekt ljudskog genoma kojim su u dvjestotisućitinama otkriveni fragmenti genoma koji sadrže 99,99% ljudskih gena. Fragmenti koji nisu uključeni u sintezu proteina i nisu kodirani ostaju nepoznati. Njihova uloga za sada ostaje nepoznata.

Posljednji put otkriven 2006., kromosom 1 je najduži u genomu. Više od tri stotine i pedeset bolesti, uključujući rak, pojavljuju se kao posljedica poremećaja i mutacija u njemu.

Uloga takvih studija ne može se precijeniti. Kada su otkrili što je genetski kod, postalo je poznato po kojim obrascima se odvija razvoj, kako nastaju morfološka građa, psiha, sklonost određenim bolestima, metabolizam i mane jedinki.