Pagrindinės genetinio kodo savybės ir jų reikšmė. Genetinis kodas: aprašymas, charakteristikos, tyrimo istorija

13.10.2019

Anksčiau akcentavome, kad nukleotidai turi svarbią savybę gyvybės formavimuisi Žemėje – tirpale esant vienai polinukleotidų grandinei, spontaniškai vyksta antrosios (lygiagrečios) grandinės susidarymo procesas, remiantis giminingų nukleotidų komplementariu junginiu. . Tas pats nukleotidų skaičius abiejose grandinėse ir jų cheminis ryšys yra būtina sąlyga tokių reakcijų įgyvendinimui. Tačiau baltymų sintezės metu, kai informacija iš mRNR yra įtraukta į baltymų struktūrą, negali būti jokios kalbos apie komplementarumo principo laikymąsi. Taip yra dėl to, kad mRNR ir susintetintame baltyme ne tik skiriasi monomerų skaičius, bet, kas ypač svarbu, tarp jų nėra struktūrinio panašumo (viena vertus, nukleotidai, kita vertus, aminorūgštys). . Akivaizdu, kad šiuo atveju reikia sukurti naują principą tiksliam informacijos vertimui iš polinukleotido į polipeptidinę struktūrą. Evoliucijoje toks principas buvo sukurtas ir jo pagrindu buvo padėtas genetinis kodas.

Genetinis kodas yra paveldimos informacijos įrašymo į nukleorūgščių molekules sistema, pagrįsta tam tikru nukleotidų sekų kaitaliojimu DNR arba RNR, kurios sudaro kodonus, atitinkančius aminorūgštis baltyme.

Genetinis kodas turi keletą savybių.

Trigubai.

Degeneracija arba perteklius.

Vienareikšmiškumas.

Poliškumas.

Nepersidengiantis.

Kompaktiškumas.

Universalumas.

Pažymėtina, kad kai kurie autoriai siūlo ir kitas kodo savybes, susijusias su į kodą įtrauktų nukleotidų cheminėmis savybėmis arba su atskirų aminorūgščių atsiradimo dažnumu organizmo baltymuose ir kt. Tačiau šios savybės išplaukia iš to, kas išdėstyta pirmiau, todėl mes jas ten apsvarstysime.

A. Trigubai. Genetinis kodas, kaip ir daugelis sudėtingai organizuotų sistemų, turi mažiausią struktūrinį ir mažiausią funkcinį vienetą. Tripletas yra mažiausias genetinio kodo struktūrinis vienetas. Jį sudaro trys nukleotidai. Kodonas yra mažiausias funkcinis genetinio kodo vienetas. Paprastai mRNR tripletai vadinami kodonais. Genetiniame kode kodonas atlieka keletą funkcijų. Pirma, pagrindinė jo funkcija yra ta, kad ji koduoja vieną aminorūgštį. Antra, kodonas gali nekoduoti aminorūgšties, tačiau šiuo atveju jis atlieka kitą funkciją (žr. toliau). Kaip matyti iš apibrėžimo, tripletas yra sąvoka, kuri apibūdina elementarus struktūrinis vienetas genetinis kodas (trys nukleotidai). kodonas apibūdina elementarus semantinis vienetas genomas – trys nukleotidai lemia vienos aminorūgšties prisijungimą prie polipeptidinės grandinės.

Elementarus struktūrinis vienetas iš pradžių buvo iššifruotas teoriškai, o vėliau eksperimentiškai patvirtintas jo egzistavimas. Iš tiesų, 20 aminorūgščių negali užkoduoti vienas ar du nukleotidai. pastarųjų yra tik 4. Trys iš keturių nukleotidų duoda 4 3 = 64 variantus, o tai daugiau nei apima gyvuose organizmuose esančių aminorūgščių skaičių (žr. 1 lentelę).

64 lentelėje pateikti nukleotidų deriniai turi dvi ypatybes. Pirma, iš 64 tripletų variantų tik 61 yra kodonai ir koduoja bet kurią aminorūgštį, jie vadinami jutimo kodonai. Trys trynukai nekoduoti

1 lentelė.

Messenger RNR kodonai ir juos atitinkančios aminorūgštys

Kodonų pagrindai




	nesąmonė	nesąmonė
	nesąmonė




		Met



		Velenas

aminorūgštys a yra stabdymo signalai, žymintys vertimo pabaigą. Tokių trynukų yra trys UAA, UAG, UGA, jie taip pat vadinami „beprasmiais“ (nesąmonių kodonais). Dėl mutacijos, kuri yra susijusi su vieno nukleotido pakeitimu triplete kitu, iš jutimo kodono gali atsirasti beprasmis kodonas. Šis mutacijos tipas vadinamas nesąmonė mutacija. Jeigu toks stabdymo signalas susidaro geno viduje (jo informacinėje dalyje), tai baltymų sintezės metu šioje vietoje procesas bus nuolatos nutrūkęs – bus susintetinta tik pirmoji (prieš stop signalą) baltymo dalis. Asmuo, turintis tokią patologiją, patirs baltymų trūkumą ir patirs su šiuo trūkumu susijusius simptomus. Pavyzdžiui, tokia mutacija buvo rasta geno, koduojančio hemoglobino beta grandinę. Sintetinama sutrumpinta neaktyvi hemoglobino grandinė, kuri greitai sunaikinama. Dėl to susidaro hemoglobino molekulė, kurioje nėra beta grandinės. Akivaizdu, kad tokia molekulė vargu ar visiškai atliks savo pareigas. Yra rimta liga, kuri išsivysto pagal hemolizinės anemijos tipą (beta nulinė talasemija, iš graikiško žodžio „Talas“ – Viduržemio jūra, kur ši liga pirmą kartą buvo atrasta).

Stop kodonų veikimo mechanizmas skiriasi nuo jutimo kodonų veikimo mechanizmo. Tai išplaukia iš to, kad visiems kodonams, koduojantiems aminorūgštis, buvo rastos atitinkamos tRNR. Nesąmoningų kodonų tRNR nerasta. Todėl tRNR nedalyvauja baltymų sintezės stabdymo procese.

kodonasRUG (kartais GUG bakterijose) ne tik koduoja aminorūgštis metioniną ir valiną, bet irtransliacijos iniciatorius .

b. Degeneracija arba perteklius.

61 iš 64 tripletų koduoja 20 aminorūgščių. Toks trigubai viršijantis trigubų skaičių, palyginti su aminorūgščių skaičiumi, rodo, kad perduodant informaciją galima naudoti dvi kodavimo parinktis. Pirma, koduojant 20 aminorūgščių gali dalyvauti ne visi 64 kodonai, o tik 20, antra, aminorūgštys gali būti koduojamos keliais kodonais. Tyrimai parodė, kad gamta pasinaudojo pastaruoju variantu.

Jo pirmenybė aišku. Jei koduojant aminorūgštis dalyvautų tik 20 iš 64 tripletų variantų, tai 44 tripletai (iš 64) liktų nekoduoti, t.y. beprasmiai (nesąmonių kodonai). Anksčiau mes atkreipėme dėmesį į tai, koks pavojingas ląstelės gyvybei yra koduojančio tripleto transformacija dėl mutacijos į nesąmoningą kodoną - tai žymiai sutrikdo normalų RNR polimerazės veikimą, galiausiai sukelia ligų vystymąsi. Šiuo metu mūsų genome yra trys nesąmonių kodonai, o dabar įsivaizduokite, kas nutiktų, jei nesąmonių kodonų skaičius padidėtų maždaug 15 kartų. Akivaizdu, kad tokioje situacijoje normalių kodonų perėjimas prie nonsense kodonų bus nepamatuojamai didesnis.

Kodas, kuriame vieną aminorūgštį koduoja keli tripletai, vadinamas išsigimusiu arba pertekliniu. Beveik kiekviena aminorūgštis turi keletą kodonų. Taigi aminorūgštį leuciną gali koduoti šeši trynukai – UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Valiną koduoja keturi trynukai, fenilalaniną – du ir tik triptofanas ir metioninas užkoduotas vienu kodonu. Iškviečiama savybė, kuri yra susijusi su tos pačios informacijos su skirtingais simboliais įrašymu degeneracija.

Vienai aminorūgščiai priskirtų kodonų skaičius gerai koreliuoja su aminorūgšties atsiradimo baltymuose dažniu.

Ir tai greičiausiai neatsitiktinai. Kuo dažnesnis aminorūgšties atsiradimas baltyme, tuo dažniau genome yra šios aminorūgšties kodonas, tuo didesnė tikimybė jį pažeisti mutageniniais veiksniais. Todėl aišku, kad mutavęs kodonas labiau koduos tą pačią aminorūgštį, jei ji yra labai išsigimusi. Žvelgiant iš šių pozicijų, genetinio kodo išsigimimas yra mechanizmas, apsaugantis žmogaus genomą nuo pažeidimų.

Pažymėtina, kad degeneracijos terminas molekulinėje genetikoje vartojamas ir kita prasme. Kadangi pagrindinė kodone esančios informacijos dalis patenka ant pirmųjų dviejų nukleotidų, trečioje kodono padėtyje esanti bazė pasirodo mažai svarbi. Šis reiškinys vadinamas „trečiosios bazės degeneracija“. Pastaroji savybė sumažina mutacijų poveikį. Pavyzdžiui, žinoma, kad pagrindinė raudonųjų kraujo kūnelių funkcija yra deguonies pernešimas iš plaučių į audinius ir anglies dvideginio iš audinių pernešimas į plaučius. Šią funkciją atlieka kvėpavimo pigmentas – hemoglobinas, kuris užpildo visą eritrocito citoplazmą. Jį sudaro baltyminė dalis – globinas, kurį koduoja atitinkamas genas. Be baltymų, hemoglobine yra hemo, kuriame yra geležies. Dėl globino genų mutacijų atsiranda įvairių hemoglobino variantų. Dažniausiai mutacijos yra susijusios su vieno nukleotido pakeitimas kitu ir naujo kodono atsiradimas gene, kuris hemoglobino polipeptidinėje grandinėje gali koduoti naują aminorūgštį. Triplete dėl mutacijos gali būti pakeistas bet kuris nukleotidas - pirmasis, antrasis ar trečiasis. Yra žinoma, kad keli šimtai mutacijų turi įtakos globino genų vientisumui. Netoliese 400 iš kurių yra susiję su pavienių nukleotidų pakeitimu gene ir atitinkamu aminorūgščių pakeitimu polipeptide. Iš jų tik 100 pakaitalai sukelia hemoglobino nestabilumą ir įvairias ligas nuo lengvos iki labai sunkios. 300 (apie 64 %) pakaitinių mutacijų neturi įtakos hemoglobino funkcijai ir nesukelia patologijos. Viena iš to priežasčių – minėtas „trečiosios bazės degeneracija“, kai pakeitus trečiąjį nukleotidą triplete, koduojančiame seriną, leuciną, proliną, argininą ir kai kurias kitas aminorūgštis, atsiranda sinonimo kodonas. koduojanti tą pačią aminorūgštį. Fenotipiškai tokia mutacija nepasireikš. Priešingai, bet koks pirmojo ar antrojo nukleotido pakeitimas triplete 100% atvejų sukelia naujo hemoglobino varianto atsiradimą. Tačiau net ir šiuo atveju gali nebūti sunkių fenotipinių sutrikimų. To priežastis yra hemoglobino aminorūgšties pakeitimas kita, panašia į pirmąją pagal fizikines ir chemines savybes. Pavyzdžiui, jei aminorūgštis, turinti hidrofilinių savybių, pakeičiama kita aminorūgštimi, bet su tomis pačiomis savybėmis.

Hemoglobinas susideda iš geležies porfirino grupės hemo (prie jos prisijungusios deguonies ir anglies dioksido molekulės) ir baltymo – globino. Suaugusiųjų hemoglobino (HbA) sudėtyje yra du identiški - grandinės ir dvi - grandinėlės. Molekulė - grandinėje yra 141 aminorūgšties liekana, - grandinėlė - 146, - Ir -grandinės skiriasi daugybe aminorūgščių liekanų. Kiekvienos globino grandinės aminorūgščių seką koduoja savas genas. Koduojantis genas - grandinė yra ant trumposios 16 chromosomos rankos, -genas - trumpojoje 11 chromosomos rankoje. Geno kodavimo pasikeitimas - pirmojo ar antrojo nukleotido hemoglobino grandinė beveik visada lemia naujų aminorūgščių atsiradimą baltyme, hemoglobino funkcijų sutrikimą ir rimtų pasekmių pacientui. Pavyzdžiui, viename iš CAU (histidino) tripletų „C“ pakeitus „U“, atsiras naujas UAU tripletas, koduojantis kitą aminorūgštį – tiroziną.Fenotipiškai tai pasireikš sunkia liga .. A. panašus pakeitimas 63 pozicijoje - histidino polipeptido grandinė su tirozinu destabilizuos hemoglobiną. Vystosi liga methemoglobinemija. Dėl mutacijos glutamo rūgštis pakeičiama į valiną 6-oje padėtyje grandinė yra sunkios ligos – pjautuvinės anemijos – priežastis. Netęskime liūdno sąrašo. Atkreipiame dėmesį tik į tai, kad pakeitus pirmuosius du nukleotidus, aminorūgštis savo fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis gali atrodyti panaši į ankstesnę. Taigi, 2-ojo nukleotido pakeitimas viename iš tripletų, koduojančių glutamo rūgštį (GAA) -grandinė "Y" veda prie naujo tripleto (GUA), koduojančio valiną, atsiradimą, o pakeitus pirmąjį nukleotidą "A", susidaro AAA tripletas, koduojantis aminorūgšties liziną. Glutamo rūgštis ir lizinas yra panašios fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis – abu yra hidrofiliniai. Valinas yra hidrofobinė aminorūgštis. Todėl hidrofilinės glutamo rūgšties pakeitimas hidrofobiniu valinu reikšmingai pakeičia hemoglobino savybes, o tai galiausiai lemia pjautuvo pavidalo ląstelių anemijos vystymąsi, o hidrofilinės glutamo rūgšties pakeitimas hidrofiliniu lizinu hemoglobino funkciją keičia mažiau - pacientai. išsivysto lengva anemijos forma. Dėl trečiosios bazės pakeitimo naujasis tripletas gali koduoti tas pačias aminorūgštis kaip ir ankstesnė. Pavyzdžiui, jei CAH triplete uracilas buvo pakeistas citozinu ir atsirado CAC tripletas, tuomet fenotipinių pakitimų žmogui praktiškai nebus aptikta. Tai suprantama, nes Abu trynukai koduoja tą pačią aminorūgštį – histidiną.

Apibendrinant, tikslinga pabrėžti, kad genetinio kodo degeneracija ir trečiosios bazės degeneracija iš bendros biologinės padėties yra apsauginiai mechanizmai, kurie evoliucijoje yra įtraukti į unikalią DNR ir RNR struktūrą.

V. Vienareikšmiškumas.

Kiekvienas tripletas (išskyrus bereikšmes) koduoja tik vieną aminorūgštį. Taigi kodono – aminorūgšties kryptimi genetinis kodas yra vienareikšmis, aminorūgšties – kodono kryptimi – dviprasmiškas (išsigimęs).

nedviprasmiškas

kodono aminorūgštis

išsigimęs

Ir šiuo atveju genetinio kodo vienareikšmiškumo poreikis yra akivaizdus. Kitame variante to paties kodono vertimo metu į baltymų grandinę būtų įterpiamos skirtingos aminorūgštys ir dėl to susidarytų skirtingos pirminės struktūros ir skirtingų funkcijų baltymai. Ląstelės metabolizmas persijungtų į „vienas genas – keli polipeptidai“ veikimo režimą. Akivaizdu, kad tokioje situacijoje genų reguliavimo funkcija būtų visiškai prarasta.

g. Poliškumas

Informacija iš DNR ir mRNR nuskaitoma tik viena kryptimi. Poliškumas yra būtinas norint apibrėžti aukštesnės eilės struktūras (antrinę, tretinę ir kt.). Anksčiau kalbėjome apie tai, kad žemesnės eilės struktūros lemia aukštesnės eilės struktūras. Tretinė struktūra ir aukštesnės eilės struktūros baltymuose susidaro iš karto, kai tik susintetinta RNR grandinė nutolsta nuo DNR molekulės arba polipeptidinė grandinė nutolsta nuo ribosomos. Nors laisvasis RNR arba polipeptido galas įgyja tretinę struktūrą, kitas grandinės galas vis tiek ir toliau sintetinamas DNR (jei RNR transkribuojama) arba ribosomoje (jei polipeptidas transkribuojamas).

Todėl vienakryptis informacijos skaitymo procesas (RNR ir baltymų sintezėje) yra būtinas ne tik nustatant nukleotidų ar aminorūgščių seką sintezuojamoje medžiagoje, bet ir standžiam antriniam, tretiniam ir kt. struktūros.

e. Nepersidengimas.

Kodas gali sutapti arba nesutapti. Daugumoje organizmų kodas nepersidengia. Kai kuriuose faguose rastas persidengiantis kodas.

Nepersidengiančio kodo esmė ta, kad vieno kodono nukleotidas tuo pačiu metu negali būti kito kodono nukleotidu. Jei kodas sutaptų, tai septynių nukleotidų seka (GCUGCUG) galėtų koduoti ne dvi aminorūgštis (alaninas-alaninas) (33 pav., A), kaip nepersidengiančio kodo atveju, o tris (jei vienas nukleotidas). yra dažnas) (33 pav., B) arba penkis (jei bendri du nukleotidai) (žr. 33 pav., C). Paskutiniais dviem atvejais bet kurio nukleotido mutacija sukeltų dviejų, trijų ir kt. sekos pažeidimą. amino rūgštys.

Tačiau buvo nustatyta, kad vieno nukleotido mutacija visada sutrikdo vienos aminorūgšties įtraukimą į polipeptidą. Tai yra svarbus argumentas, patvirtinantis, kad kodas nepersidengia.

Paaiškinkime tai 34 paveiksle. Paryškintos linijos rodo tripletus, koduojančius aminorūgštis, jei kodas nesutampa ir persidengia. Eksperimentai nedviprasmiškai parodė, kad genetinis kodas nesutampa. Nesigilindami į eksperimento detales, pažymime, kad jei nukleotidų sekoje pakeisime trečiąjį nukleotidą (žr. 34 pav.)At (pažymėta žvaigždute) į kitą, tada:

1. Naudojant nepersidengiantį kodą, šios sekos valdomas baltymas turėtų vienos (pirmosios) aminorūgšties (pažymėtos žvaigždutėmis) pakaitalą.

2. Jei A parinktyje sutampa kodas, dvi (pirmoji ir antroji) aminorūgštys (pažymėtos žvaigždutėmis) būtų pakeistos. Pagal B variantą pakeitimas paveiktų tris aminorūgštis (pažymėtas žvaigždutėmis).

Tačiau daugybė eksperimentų parodė, kad sulaužius vieną DNR nukleotidą, baltymas visada paveikia tik vieną aminorūgštį, o tai būdinga nesutampančiam kodui.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

HCC HCC HCC UHC CUG HCC CUG UGC HCU CUG

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

Alaninas - Alaninas Ala - Cys - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei

A B C

nepersidengęs kodas persidengiantis kodas

Ryžiai. 34. Nepersidengiančio kodo buvimą genome paaiškinanti schema (paaiškinimas tekste).

Genetinio kodo nepersidengimas siejamas su kita savybe – informacijos skaitymas pradedamas nuo tam tikro taško – iniciacijos signalo. Toks iniciacijos signalas mRNR yra kodonas, koduojantis AUG metioniną.

Reikia pažymėti, kad žmogus vis dar turi nedaug genų, kurie nukrypsta nuo bendros taisyklės ir persidengia.

e. Kompaktiškumas.

Tarp kodonų nėra skyrybos ženklų. Kitaip tariant, trynukai nėra atskirti vienas nuo kito, pavyzdžiui, vienu beprasmiu nukleotidu. „Skyrybos ženklų“ nebuvimas genetiniame kode buvo įrodytas eksperimentais.

ir. Universalumas.

Kodas yra vienodas visiems Žemėje gyvenantiems organizmams. Tiesioginis genetinio kodo universalumo įrodymas buvo gautas lyginant DNR sekas su atitinkamomis baltymų sekomis. Paaiškėjo, kad visuose bakterijų ir eukariotų genomuose naudojami tie patys kodo reikšmių rinkiniai. Yra išimčių, bet ne tiek daug.

Pirmosios genetinio kodo universalumo išimtys buvo rastos kai kurių gyvūnų rūšių mitochondrijose. Tai buvo susiję su terminatoriaus kodonu UGA, kuris buvo toks pat kaip UGG kodonas, koduojantis aminorūgštį triptofaną. Taip pat rasta ir kitų retesnių nukrypimų nuo universalumo.

MZ. Genetinis kodas yra paveldimos informacijos įrašymo į nukleorūgščių molekules sistema, pagrįsta tam tikra nukleotidų sekų kaita DNR arba RNR, kurios sudaro kodonus,

atitinkantis baltyme esančias aminorūgštis.Genetinis kodas turi keletą savybių.

Įvairių organizmų genetinis kodas turi keletą bendrų savybių:
1) Trigubai. Norint įrašyti bet kokią informaciją, įskaitant paveldimą informaciją, naudojamas tam tikras šifras, kurio elementas yra raidė arba simbolis. Tokių simbolių kolekcija sudaro abėcėlę. Atskiri pranešimai rašomi kaip simbolių, vadinamų kodų grupėmis arba kodonais, derinys. Yra žinoma abėcėlė, susidedanti tik iš dviejų simbolių - tai yra Morzės kodas. DNR yra 4 raidės – pirmosios azotinių bazių pavadinimų raidės (A, G, T, C), o tai reiškia, kad genetinė abėcėlė susideda tik iš 4 simbolių. Kas yra kodų grupė arba, žodžiu, genetinis kodas? Žinomos 20 bazinių aminorūgščių, kurių turinys turi būti įrašytas genetiniame kode, t.y 4 raidės turi duoti 20 kodinių žodžių. Tarkime, žodis susideda iš vieno simbolio, tada gausime tik 4 kodų grupes. Jei žodis susideda iš dviejų simbolių, tada tokių grupių bus tik 16, ir to aiškiai neužtenka 20 aminorūgščių kodavimui. Todėl kodo žodyje turi būti bent 3 nukleotidai, kurie duos 64 (43) derinius. Šio tripletų derinių skaičiaus visiškai pakanka, kad būtų užkoduotos visos aminorūgštys. Taigi genetinio kodo kodonas yra nukleotidų tripletas.
2) Degeneracija (redundancija) - genetinio kodo savybė, kurią, viena vertus, sudaro tai, kad jame yra perteklinių tripletų, ty sinonimų, ir, kita vertus, „beprasmių“ trynukų. Kadangi kodą sudaro 64 deriniai, o užkoduota tik 20 aminorūgščių, kai kurias aminorūgštis koduoja keli tripletai (argininas, serinas, leucinas – šeši; valinas, prolinas, alaninas, glicinas, treoninas – keturi; izoleucinas – trys; fenilalaninas, tirozinas, histidinas, lizinas, asparaginas, glutaminas, cisteinas, asparto ir glutamo rūgštys - dvi; metioninas ir triptofanas - vienas tripletas). Kai kurios kodų grupės (UAA, UAG, UGA) visiškai nekelia semantinio krūvio, t.y. yra „beprasmiai“ trynukai. „Beprasmiški“, arba nesąmonė, kodonai veikia kaip grandinės terminatoriai – skyrybos ženklai genetiniame tekste – tarnauja kaip signalas apie baltymų grandinės sintezės pabaigą. Toks kodo perteklius turi didelę reikšmę didinant genetinės informacijos perdavimo patikimumą.
3) Nepersidengimas. Kodo trejetai niekada nesutampa, t. y. jie visada transliuojami kartu. Skaitant informaciją iš DNR molekulės, neįmanoma panaudoti vieno tripleto azoto bazės kartu su kito tripleto bazėmis.
4) Unikalumas. Nėra atvejų, kai tas pats tripletas atitiktų daugiau nei vieną rūgštį.
5) Atskiriančių simbolių nebuvimas geno viduje. Genetinis kodas skaitomas iš tam tikros vietos be kablelių.
6) Universalumas. Įvairių tipų gyvuose organizmuose (virusuose, bakterijose, augaluose, grybuose ir gyvūnuose) tie patys trynukai koduoja tas pačias aminorūgštis.
7) Rūšinis specifiškumas. Azoto bazių skaičius ir seka DNR grandinėje skiriasi priklausomai nuo organizmo.

Kiekvienas gyvas organizmas turi ypatingą baltymų rinkinį. Tam tikri nukleotidų junginiai ir jų seka DNR molekulėje sudaro genetinį kodą. Jis perduoda informaciją apie baltymo struktūrą. Genetikoje buvo priimta tam tikra koncepcija. Anot jos, vienas genas atitiko vieną fermentą (polipeptidą). Reikia pasakyti, kad nukleorūgščių ir baltymų tyrimai buvo atliekami gana ilgą laikotarpį. Toliau straipsnyje mes atidžiau pažvelgsime į genetinį kodą ir jo savybes. Taip pat bus pateikta trumpa tyrimų chronologija.

Terminija

Genetinis kodas yra būdas koduoti aminorūgščių baltymų seką naudojant nukleotidų seką. Toks informacijos formavimo būdas būdingas visiems gyviems organizmams. Baltymai yra natūralios organinės medžiagos, turinčios didelę molekulinę masę. Šių junginių yra ir gyvuose organizmuose. Jie susideda iš 20 rūšių aminorūgščių, kurios vadinamos kanoninėmis. Aminorūgštys yra išdėstytos grandinėje ir sujungtos griežtai nustatyta seka. Jis lemia baltymo struktūrą ir jo biologines savybes. Taip pat baltymuose yra keletas aminorūgščių grandinių.

DNR ir RNR

Dezoksiribonukleorūgštis yra makromolekulė. Ji yra atsakinga už paveldimos informacijos perdavimą, saugojimą ir įgyvendinimą. DNR naudoja keturias azoto bazes. Tai yra adeninas, guaninas, citozinas, timinas. RNR susideda iš tų pačių nukleotidų, išskyrus tą, kuriame yra timino. Vietoj to yra nukleotidas, kuriame yra uracilo (U). RNR ir DNR molekulės yra nukleotidų grandinės. Šios struktūros dėka susidaro sekos – „genetinė abėcėlė“.

Informacijos įgyvendinimas

Geno koduojamo baltymo sintezė realizuojama sujungiant mRNR ant DNR šablono (transkripcija). Taip pat vyksta genetinio kodo perkėlimas į aminorūgščių seką. Tai yra, mRNR vyksta polipeptidinės grandinės sintezė. Norint užkoduoti visas aminorūgštis ir signalizuoti baltymų sekos pabaigą, pakanka 3 nukleotidų. Ši grandinė vadinama tripletu.

Tyrimų istorija

Baltymų ir nukleorūgščių tyrimai buvo atliekami ilgą laiką. XX amžiaus viduryje pagaliau pasirodė pirmosios idėjos apie genetinio kodo prigimtį. 1953 m. buvo nustatyta, kad kai kurie baltymai yra sudaryti iš aminorūgščių sekų. Tiesa, tuo metu jie dar negalėjo nustatyti tikslaus jų skaičiaus ir dėl to kilo daugybė ginčų. 1953 m. Watsonas ir Crickas paskelbė du straipsnius. Pirmasis paskelbė antrinę DNR struktūrą, antrasis kalbėjo apie leistiną jos kopijavimą matricos sintezės būdu. Be to, buvo pabrėžta, kad tam tikra bazių seka yra kodas, kuris neša paveldimą informaciją. Amerikiečių ir sovietų fizikas Georgijus Gamovas pripažino kodavimo hipotezę ir rado metodą jai patikrinti. 1954 metais buvo paskelbtas jo darbas, kurio metu jis pateikė pasiūlymą nustatyti atitikmenis tarp aminorūgščių šoninių grandinių ir rombo formos „skylių“ ir panaudoti tai kaip kodavimo mechanizmą. Tada jis buvo vadinamas rombiniu. Aiškindamas savo darbą, Gamow pripažino, kad genetinis kodas gali būti trigubas. Fiziko darbas buvo vienas pirmųjų tarp tų, kurie buvo laikomi artimais tiesai.

klasifikacija

Po kelerių metų buvo pasiūlyti įvairūs genetinių kodų modeliai, reprezentuojantys du tipus: persidengiančius ir nepersidengiančius. Pirmasis buvo pagrįstas vieno nukleotido atsiradimu kelių kodonų sudėtyje. Jai priklauso trikampis, nuoseklus ir mažorinis genetinis kodas. Antrasis modelis apima du tipus. Nepersidengiantys apima kombinaciją ir „kodą be kablelių“. Pirmasis variantas pagrįstas aminorūgšties kodavimu nukleotidų tripletais, o jo sudėtis yra pagrindinė. Pagal „be kablelio kodą“ tam tikri trynukai atitinka aminorūgštis, o kiti – ne. Šiuo atveju buvo manoma, kad jei kokie nors reikšmingi trynukai būtų išdėstyti nuosekliai, kiti, esantys kitame skaitymo rėmelyje, pasirodys nereikalingi. Mokslininkai manė, kad galima parinkti šiuos reikalavimus atitinkančią nukleotidų seką, o trynukų yra lygiai 20.

Nors Gamow ir kiti suabejojo šiuo modeliu, jis buvo laikomas teisingiausiu per ateinančius penkerius metus. XX amžiaus antrosios pusės pradžioje pasirodė naujų duomenų, kurie leido aptikti kai kuriuos „kodo be kablelių“ trūkumus. Nustatyta, kad kodonai gali sukelti baltymų sintezę in vitro. Arčiau 1965 m. jie suprato visų 64 trynukų principą. Dėl to buvo rastas kai kurių kodonų perteklius. Kitaip tariant, aminorūgščių seką koduoja keli tripletai.

Skiriamieji bruožai

Genetinio kodo savybės apima:

Variacijos

Pirmą kartą genetinio kodo nukrypimas nuo standarto buvo aptiktas 1979 m., tiriant mitochondrijų genus žmogaus organizme. Buvo nustatyti kiti panašūs variantai, įskaitant daugybę alternatyvių mitochondrijų kodų. Tai apima stop kodono UGA, naudojamo kaip triptofano apibrėžimas mikoplazmose, iššifravimą. GUG ir UUG archėjose ir bakterijose dažnai naudojami kaip pradiniai variantai. Kartais genai koduoja baltymą iš pradinio kodono, kuris skiriasi nuo to, kurį paprastai naudoja ta rūšis. Be to, kai kuriuose baltymuose ribosomos yra įterpiamos selenocisteino ir pirolizino, kurie yra nestandartinės aminorūgštys. Ji skaito stop kodoną. Tai priklauso nuo sekų, esančių mRNR. Šiuo metu selenocisteinas laikomas 21-ąja, pirolizanas - 22-ąja aminorūgštimi, esančia baltymuose.

Bendrieji genetinio kodo bruožai

Tačiau visos išimtys yra retos. Gyvuose organizmuose apskritai genetinis kodas turi nemažai bendrų bruožų. Tai apima kodono sudėtį, kurią sudaro trys nukleotidai (pirmieji du priklauso lemiantiems), kodonų perkėlimas tRNR ir ribosomomis į aminorūgščių seką.

Civilinio kodekso ištakas aprašantis straipsnių ciklas gali būti vertinamas kaip įvykių, apie kuriuos turime labai mažai pėdsakų, tyrimu. Tačiau norint suprasti šiuos straipsnius, reikia šiek tiek pastangų suprasti molekulinius baltymų sintezės mechanizmus. Šis straipsnis yra įvadinis straipsnis automatinių leidinių, skirtų genetinio kodo kilmei, serijai, ir tai yra geriausia vieta pradėti pažintį su šia tema.
Paprastai genetinis kodas(GC) apibrėžiamas kaip baltymo kodavimo pirminėje DNR arba RNR struktūroje metodas (taisyklė). Literatūroje dažniausiai rašoma, kad tai trijų geno nukleotidų sekos vienas prieš vieną atitikimas vienai sintezuojamo baltymo aminorūgščiai arba baltymų sintezės galutiniam taškui. Tačiau šiame apibrėžime yra dvi klaidos. Tai reiškia 20 vadinamųjų kanoninių aminorūgščių, kurios yra visų be išimties gyvų organizmų baltymų dalis. Šios aminorūgštys yra baltymų monomerai. Klaidos yra šios:

1) Kanoninių aminorūgščių yra ne 20, o tik 19. Aminorūgštimi galime vadinti medžiagą, kurioje vienu metu yra amino grupė -NH 2 ir karboksilo grupė - COOH. Faktas yra tas, kad baltymo monomeras - prolinas - nėra aminorūgštis, nes jame yra imino grupė, o ne amino grupė, todėl teisingiau proliną vadinti imino rūgštimi. Tačiau ateityje visuose straipsniuose apie HA, patogumo dėlei, parašysiu apie 20 aminorūgščių, nurodant nurodytą niuansą. Aminorūgščių struktūros parodytos fig. 1.

Ryžiai. 1. Kanoninių aminorūgščių struktūros. Aminorūgštys turi pastovias dalis, paveikslėlyje pažymėtas juodai, ir kintamąsias (arba radikalus), pažymėtas raudonai.

2) Aminorūgščių atitikimas kodonams ne visada yra vienareikšmis. Žemiau žiūrėkite unikalumo pažeidimo atvejus.

HA atsiradimas reiškia užkoduotos baltymų sintezės atsiradimą. Šis įvykis yra vienas pagrindinių pirmųjų gyvų organizmų evoliuciniam formavimuisi.

HA struktūra parodyta apskritimo pavidalu fig. 2.

Ryžiai. 2. Genetinis kodas apskritimo formos. Vidinis apskritimas yra pirmoji kodono raidė, antroji ratas - antroji kodono raidė, trečiasis apskritimas - trečioji kodono raidė, ketvirtasis apskritimas - aminorūgščių žymos trijų raidžių santrumpa; P – polinės aminorūgštys, NP – nepolinės aminorūgštys. Siekiant simetrijos aiškumo, svarbi pasirinkta simbolių tvarka U-C-A-G.

Taigi, pereikime prie pagrindinių HA savybių aprašymo.

1. Trigubai. Kiekvieną aminorūgštį koduoja trijų nukleotidų seka.

2. Tarpgenetinių skyrybos ženklų buvimas. Tarpgeniniai skyrybos ženklai apima nukleorūgščių sekas, kuriomis prasideda arba baigiasi vertimas.

Vertimas negali prasidėti jokiu kodonu, o tik griežtai apibrėžtu - pradedant. Pradinis kodonas yra AUG tripletas, kuris pradeda vertimą. Šiuo atveju šis tripletas koduoja arba metioniną, arba kitą aminorūgštį – formilmetioniną (prokariotuose), kurią galima įjungti tik baltymų sintezės pradžioje. Kiekvieno geno, koduojančio polipeptidą, pabaigoje yra bent vienas iš 3 pabaigos kodonai, arba stabdžių šviesos: UAA, UAG, UGA. Jie nutraukia vertimą (vadinamąją baltymų sintezę ribosomoje).

3. Kompaktiškumas arba intrageninių skyrybos ženklų nebuvimas. Geno viduje kiekvienas nukleotidas yra reikšmingo kodono dalis.

4. Nepersidengiantis. Kodonai vienas su kitu nesutampa, kiekvienas turi savo sutvarkytą nukleotidų rinkinį, kuris nesutampa su panašiais gretimų kodonų rinkiniais.

5. Degeneracija. Atvirkštinis atitikimas aminorūgščių-kodono kryptimi yra dviprasmiškas. Ši savybė vadinama degeneracija. Serija yra kodonų rinkinys, koduojantis vieną aminorūgštį, kitaip tariant, tai grupė lygiaverčiai kodonai. Pagalvokite apie kodoną kaip XYZ. Jei XY apibrėžia „prasmę“ (ty aminorūgštį), kodonas vadinamas stiprus. Jeigu kodono reikšmei nustatyti reikalingas tam tikras Z, tai toks kodonas vadinamas silpnas.

Kodo išsigimimas yra glaudžiai susijęs su kodono ir antikodono poros dviprasmiškumu (antikodonas reiškia trijų nukleotidų seką tRNR, kuri gali komplementariai susieti su pasiuntinio RNR kodonu (išsamiau žr. du straipsnius apie tai): Molekuliniai mechanizmai, užtikrinantys kodo degeneraciją Ir Lagerquist taisyklė. Fizikinis-cheminis simetrijų ir Rumerio ryšių pagrindimas). Vienas antikodonas vienoje tRNR gali atpažinti nuo vieno iki trijų kodonų vienoje mRNR.

6.Vienareikšmiškumas. Kiekvienas tripletas koduoja tik vieną aminorūgštį arba yra vertimo terminatorius.

Yra žinomos trys išimtys.

Pirmas. Prokariotuose pirmoje padėtyje (didžioji raidė) jis koduoja formilmetioniną, o bet kurioje kitoje - metioniną.Geno pradžioje formilmetioniną koduoja tiek įprastas AUG metionino kodonas, tiek ir GUG valino kodonas arba UUG. leucino kodonas, kuris geno viduje koduoja atitinkamai valiną ir leuciną.

Daugelyje baltymų formilmetioninas yra atskilęs arba pašalinama formilo grupė, todėl formilmetioninas paverčiamas įprastu metioninu.

Antra. 1986 m. kelios tyrėjų grupės iš karto atrado, kad mRNR UGA terminacijos kodonas gali koduoti selenocisteiną (žr. 3 pav.), jei po jo seka speciali nukleotidų seka.

Ryžiai. 3. 21-osios aminorūgšties struktūra – selenocisteinas.

At E. coli(tai yra lotyniškas Escherichia coli pavadinimas) selenocisteyl-tRNR vertimo metu ir atpažįsta UGA kodoną mRNR, bet tik tam tikrame kontekste e: norint atpažinti UGA kodoną kaip reikšmingą, 45 nukleotidų ilgio seka, esanti po UGA kodonas yra svarbus.

Nagrinėjamas pavyzdys rodo, kad prireikus gyvas organizmas gali pakeisti standartinio genetinio kodo reikšmę. Šiuo atveju genuose esanti genetinė informacija užkoduojama sudėtingiau. Kodono reikšmė nustatoma e kontekste su tam tikra ilga nukleotidų seka ir dalyvaujant keliems labai specifiniams baltyminiams faktoriams. Svarbu, kad selenocisteino tRNR buvo rasta visų trijų gyvybės šakų atstovuose (archėjose, eubakterijose ir eukariotuose), o tai rodo selenocisteino sintezės kilmės senumą ir galbūt jo buvimą paskutiniame visuotiniame bendrame protėve ( tai bus aptarta kituose straipsniuose). Greičiausiai selenocisteinas randamas visuose gyvuose organizmuose be išimties. Tačiau kiekviename atskirame organizme selenocisteino randama ne daugiau kaip poroje dešimčių baltymų. Tai yra aktyvių fermentų vietų dalis, kurių daugelyje homologų įprastas cisteinas gali veikti panašioje padėtyje.

Dar visai neseniai buvo manoma, kad UGA kodonas gali būti skaitomas kaip selenocisteinas arba kaip terminalas, tačiau neseniai buvo įrodyta, kad blakstienas Euplotes UGA kodonas koduoja arba cisteiną, arba selenocisteiną. Cm. " Genetinis kodas leidžia atsirasti neatitikimų“

Trečia išimtis. Kai kuriuose prokariotuose (5 archajų rūšys ir viena eubakterija – informacija Vikipedijoje labai pasenusi) yra speciali rūgštis – pirolizinas (4 pav.). Jį užkoduoja UAG tripletas, kuris kanoniniame kode tarnauja kaip vertimo terminatorius. Daroma prielaida, kad šiuo atveju, kaip ir koduojant selenocisteiną, UAG nuskaitomas kaip pirolizino kodonas dėl specialios mRNR struktūros. Pirolizino tRNR turi antikodono CTA ir yra aminoacilinta 2 klasės APCazėmis (APCazių klasifikaciją žr. straipsnyje „Kodazės padeda suprasti, kaip genetinis kodas ").

UAG retai naudojamas kaip stop kodonas, o jei taip, po jo dažnai seka kitas stop kodonas.

Ryžiai. 4. Pirolizino 22-osios aminorūgšties sandara.

7. Universalumas. Praėjusio amžiaus šeštojo dešimtmečio viduryje užbaigus Civilinio kodekso dekodavimą, ilgą laiką buvo manoma, kad kodas yra vienodas visuose organizmuose, o tai rodo visos gyvybės Žemėje kilmės vienovę.

Pabandykime suprasti, kodėl GC yra universalus. Faktas yra tas, kad jei organizme būtų pakeista bent viena kodavimo taisyklė, tai lemtų tai, kad pasikeistų nemažos dalies baltymų struktūra. Toks pokytis būtų pernelyg dramatiškas ir todėl beveik visada mirtinas, nes tik vieno kodono reikšmės pasikeitimas gali paveikti vidutiniškai 1/64 visų aminorūgščių sekų.

Iš to išplaukia viena labai svarbi mintis – HA beveik nepasikeitė nuo tada, kai susikūrė daugiau nei prieš 3,5 milijardo metų. Ir todėl jos struktūroje yra jos atsiradimo pėdsakai, o šios struktūros analizė gali padėti suprasti, kaip tiksliai gali atsirasti GC.

Tiesą sakant, HA gali šiek tiek skirtis bakterijomis, mitochondrijomis, kai kurių blakstienų ir mielių branduolio kodu. Šiuo metu yra bent 17 genetinių kodų, kurie nuo kanoninio skiriasi 1-5 kodonais.Iš viso visuose žinomuose nukrypimų nuo universalaus GC variantuose naudojama 18 skirtingų prasminio kodono pakaitalų. Dauguma nukrypimų nuo standartinio kodo žinomi mitochondrijose – 10. Pastebėtina, kad stuburinių, plokščiųjų kirmėlių, dygiaodžių mitochondrijos koduotos skirtingais kodais, o pelėsinių grybų, pirmuonių ir koelenteratų – po vieną.

Evoliucinis rūšių artumas jokiu būdu nėra garantija, kad jos turi panašius GC. Genetiniai kodai gali skirtis net tarp skirtingų mikoplazmų tipų (kai kurios rūšys turi kanoninį kodą, o kitos skiriasi). Panaši situacija stebima ir mielėms.

Svarbu pažymėti, kad mitochondrijos yra simbiotinių organizmų, prisitaikiusių gyventi ląstelėse, palikuonys. Jie turi labai sumažintą genomą, dalis genų persikėlė į ląstelės branduolį. Todėl HA pokyčiai juose nebėra tokie dramatiški.

Vėliau aptiktos išimtys yra ypač įdomios evoliuciniu požiūriu, nes jos gali padėti išsiaiškinti kodo evoliucijos mechanizmus.

1 lentelė.

Mitochondrijų kodai įvairiuose organizmuose.

kodonas	Universalus kodas	Mitochondrijų kodai
kodonas	Universalus kodas	Stuburiniai gyvūnai	Bestuburiai	Mielės	Augalai
UGA	SUSTABDYTI	trp	trp	trp	SUSTABDYTI
AUA	ile	Met	Met	Met	ile
CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
AGA	Arg	SUSTABDYTI	Ser	Arg	Arg
AGG	Arg	SUSTABDYTI	Ser	Arg	Arg

Trys kodo užkoduotos aminorūgšties keitimo mechanizmai.

Pirmasis yra tada, kai koks nors organizmas nenaudoja (arba beveik nenaudoja) kodono dėl nevienodo kai kurių nukleotidų (GC sudėties) arba nukleotidų derinių atsiradimo. Dėl to toks kodonas gali visiškai išnykti iš naudojimo (pavyzdžiui, dėl atitinkamos tRNR praradimo), o ateityje jis gali būti naudojamas kitos aminorūgšties kodavimui, nepadarydamas didelės žalos organizmui. Šis mechanizmas tikriausiai yra atsakingas už kai kurių kodų dialektų atsiradimą mitochondrijose.

Antrasis – stop kodono transformavimas į naujojo reikšmę. Tokiu atveju kai kurie išversti baltymai gali turėti priedų. Tačiau situaciją iš dalies gelbsti tai, kad daugelis genų dažnai baigiasi ne vienu, o dviem stopkodonais, nes galimos vertimo klaidos, kuriose stopkodonai skaitomi kaip aminorūgštys.

Trečias – galimas dviprasmiškas tam tikrų kodonų skaitymas, kaip pasitaiko kai kuriuose grybuose.

8 . Ryšys. Vadinamos lygiaverčių kodonų grupės (tai yra kodonai, koduojantys tą pačią aminorūgštį). serija. GC yra 21 serija, įskaitant stop kodonus. Toliau, siekiant apibrėžtumo, bus vadinama bet kuri kodonų grupė ryšininkas, jei iš kiekvieno šios grupės kodono galima pereiti į visus kitus tos pačios grupės kodonus nuosekliais nukleotidų pakeitimais. Iš 21 serijos yra sujungtos 18. 2 serijos turi po vieną kodoną, o tik 1 aminorūgšties serino serija yra nesusijusi ir padalijama į 2 sujungtas poseles.

Ryžiai. 5. Kai kurių kodų serijų jungiamumo grafikai. a - sujungta valino serija; b - sujungta leucino serija; serino serija nesusijusi, padalyta į dvi sujungtas poserijas. Paveikslas paimtas iš V. A. straipsnio. Ratneris Genetinis kodas kaip sistema“.

Ryšio savybę galima paaiškinti tuo, kad formavimosi laikotarpiu HA užfiksavo naujus kodonus, kurie minimaliai skyrėsi nuo jau naudotų.

9. Taisyklingumas aminorūgščių savybės pagal trynukų šaknis. Visos U tripletų koduojamos aminorūgštys yra nepolinės, neturi ekstremalių savybių ir dydžių, turi alifatinių radikalų. Visi C-šaknies tripletai turi stiprias bazes, o jų koduojamų aminorūgščių yra palyginti nedaug. Visi trynukai su šaknimi A turi silpnas bazes ir koduoja nesmulkias polines aminorūgštis. G-šaknies kodonams būdingi ekstremalūs ir nenormalūs aminorūgščių ir serijų variantai. Jie koduoja mažiausią aminorūgštį (gliciną), ilgiausią ir plokščiiausią (triptofanas), ilgiausią ir „nerangiausią“ (argininą), reaktyviausią (cisteiną) ir sudaro nenormalų serino pogrupį.

10. Blokuotumas. Universalus CC yra „blokavimo“ kodas. Tai reiškia, kad panašias fizikines ir chemines savybes turinčias aminorūgštis koduoja kodonai, kurie skiriasi viena nuo kitos viena baze. Kodo blokavimas aiškiai matomas kitame paveikslėlyje.

Ryžiai. 6. Civilinio kodekso blokinė struktūra. Balta spalva rodo aminorūgštis su alkilo grupe.

Ryžiai. 7. Aminorūgščių fizikinių ir cheminių savybių spalvinis vaizdavimas pagal knygoje aprašytas reikšmesStyers "Biochemija". Kairėje – hidrofobiškumas. Dešinėje – gebėjimas suformuoti alfa spiralę baltyme. Raudona, geltona ir mėlyna spalvos rodo aminorūgštis, turinčias didelį, vidutinį ir mažą hidrofobiškumą (kairėje) arba atitinkamą gebėjimą sudaryti alfa spiralę (dešinėje).

Blokiškumo ir taisyklingumo savybę galima paaiškinti ir tuo, kad formavimosi laikotarpiu HA užfiksavo naujus kodonus, kurie minimaliai skyrėsi nuo jau naudotų.

Kodonai su ta pačia pirmąja baze (kodono priešdėliu) koduoja aminorūgštis su panašiais biosintezės keliais. Aminorūgščių kodonai, priklausantys šikimato, piruvato, aspartato ir glutamato šeimoms, turi atitinkamai priešdėlius U, G, A ir C. Apie senovės aminorūgščių biosintezės būdus ir jos ryšį su šiuolaikinio kodo savybėmis žr. genetinis kodas buvo iš anksto nulemtas aminorūgščių sintezės kelių. "Remdamiesi šiais duomenimis, kai kurie mokslininkai daro išvadą, kad kodo susidarymui didelę įtaką turėjo aminorūgščių biosintezės ryšiai. Tačiau biosintezės kelių panašumas visiškai nereiškia fizikinių ir cheminių savybių panašumas.

11. Triukšmo atsparumas. Bendriausia forma HA atsparumas triukšmui reiškia, kad esant atsitiktinėms taškinėms mutacijoms ir vertimo klaidoms, aminorūgščių fizikinės ir cheminės savybės labai nesikeičia.

Vieno nukleotido pakeitimas triplete daugeliu atvejų arba nepakeičia užkoduotos aminorūgšties, arba pakeičiama aminorūgštimi, kurios poliškumas yra toks pat.

Vienas iš mechanizmų, užtikrinančių GK atsparumą triukšmui, yra jo išsigimimas. Vidutinis degeneracija yra - užkoduotų signalų skaičius/bendras kodonų skaičius, kai užkoduoti signalai apima 20 aminorūgščių ir transliacijos pabaigos ženklą. Vidutinis visų aminorūgščių ir pabaigos ženklo degeneracija yra trys kodonai viename užkoduotame signale.

Norėdami kiekybiškai įvertinti atsparumą triukšmui, pristatome dvi sąvokas. Nukleotidų pakeitimų mutacijos, kurios nelemia koduojamos aminorūgšties klasės pasikeitimo, vadinamos konservatyvus. Nukleotidų pakeitimo mutacijos, kurios pakeičia koduojamos aminorūgšties klasę, vadinamos radikalus .

Kiekvienas tripletas leidžia atlikti 9 pavienius pakeitimus. Iš viso aminorūgštis koduoja 61 tripletas, todėl galimų nukleotidų pakeitimų skaičius visuose kodonuose yra lygus

61 x 9 = 549. Iš jų:

Dėl 23 nukleotidų pakaitalų susidaro stop kodonai.

134 pakaitalai nekeičia užkoduotos aminorūgšties.
230 pakeitimų nekeičia užkoduotos aminorūgšties klasės.
162 pakaitalai lemia aminorūgščių klasės pasikeitimą, t.y. yra radikalūs.
Iš 183 3-iojo nukleotido pakeitimų 7 sukelia vertimo terminatorių atsiradimą, o 176 yra konservatyvūs.
Iš 183 1-ojo nukleotido pakeitimų 9 sukelia terminatorių atsiradimą, 114 yra konservatyvūs ir 60 yra radikalūs.
Iš 183 2-ojo nukleotido pakeitimų 7 sukelia terminatorių atsiradimą, 74 yra konservatyvūs ir 102 yra radikalūs.

Remdamiesi šiais skaičiavimais, gauname kiekybinį kodo atsparumo triukšmui įvertinimą, kaip konservatyvių pakeitimų skaičiaus santykį su radikalių pakeitimų skaičiumi. Jis lygus 364/162=2,25

Realiai vertinant degeneracijos indėlį į atsparumą triukšmui, būtina atsižvelgti į aminorūgščių atsiradimo baltymuose dažnį, kuris skiriasi įvairiose rūšyse.

Kokia yra kodo atsparumo triukšmui priežastis? Dauguma tyrinėtojų mano, kad ši savybė yra alternatyvių HA pasirinkimo pasekmė.

Stephenas Freelandas ir Lawrence'as Hurstas sugeneravo atsitiktinius tokius kodus ir išsiaiškino, kad tik vienas iš šimto alternatyvių kodų turi ne mažesnį atsparumą triukšmui nei universalus GC.
Dar įdomesnis faktas paaiškėjo, kai šie tyrėjai įvedė papildomą suvaržymą, siekdami atsižvelgti į faktines DNR mutacijų tendencijas ir transliacijos klaidas. Tokiomis sąlygomis TIK VIENAS KODAS IŠ MILIJONO GALIMO pasirodė geresnis už kanoninį kodą.
Tokį precedento neturintį genetinio kodo gyvybingumą lengviausia paaiškinti tuo, kad jis susiformavo dėl natūralios atrankos. Galbūt vienu metu biologiniame pasaulyje buvo daug kodų, kurių kiekvienas turėjo savo jautrumą klaidoms. Su jais geriau susidorojęs organizmas turėjo didesnę tikimybę išgyventi, o kanoninis kodas tiesiog laimėjo kovą už būvį. Ši prielaida atrodo gana realistiška – juk žinome, kad alternatyvūs kodai tikrai egzistuoja. Daugiau informacijos apie atsparumą triukšmui žr. Coded Evolution (S. Freeland, L. Hurst „Code Evolution“. / / Mokslo pasaulyje. – 2004, Nr. 7).

Baigdamas siūlau suskaičiuoti galimų genetinių kodų, kuriuos galima sugeneruoti 20 kanoninių aminorūgščių, skaičių. Kažkodėl šis skaičius man niekada nepasirodė. Taigi, sukurtuose GC turime turėti 20 aminorūgščių ir sustabdymo signalą, užkoduotą BENT VIENO KODONO.

Protiškai kodonus sunumeruosime tam tikra tvarka. Mes motyvuosime taip. Jei turime tiksliai 21 kodoną, tai kiekviena aminorūgštis ir sustojimo signalas užims tiksliai vieną kodoną. Tokiu atveju bus 21 galimas GC!

Jei kodonai yra 22, tada atsiranda papildomas kodonas, kuris gali turėti vieną iš 21 reikšmės, ir šis kodonas gali būti bet kurioje iš 22 vietų, o likę kodonai turi lygiai vieną skirtingą reikšmę y, kaip ir 21 kodonas. Tada gauname kombinacijų skaičių 21!x(21x22).

Jei kodonai yra 23, tada, ginčydami panašiai, gauname, kad 21 kodonas turi lygiai vieną skirtingą s reikšmę (21! variantai), o du kodonai turi 21 skirtingą a reikšmę (21 2 s reikšmės fiksuotoje jų padėtyje kodonai). Šių dviejų kodonų skirtingų pozicijų skaičius bus 23x22. Bendras GK variantų skaičius 23 kodonams - 21!x21 2x23x22

Jei yra 24 kodonai, tada GC skaičius bus 21!x21 3 x24x23x22, ...

....................................................................................................................

Jei yra 64 kodonai, galimų GC skaičius bus 21!x21 43x64!/21! = 21 43 x 64! ~ 9,1x10 145

Rusijos Federacijos švietimo ir mokslo ministerija, federalinė švietimo agentūra

Valstybinė aukštojo profesinio mokymo įstaiga "Altajaus valstybinis technikos universitetas, pavadintas I. I. Polzunovo vardu"

Gamtos mokslų ir sistemų analizės katedra

Esė tema "Genetinis kodas"

1. Genetinio kodo samprata

3. Genetinė informacija

Bibliografija

1. Genetinio kodo samprata

Genetinis kodas yra viena sistema, skirta įrašyti paveldimą informaciją nukleorūgščių molekulėse nukleotidų sekos forma, būdinga gyviems organizmams. Kiekvienas nukleotidas žymimas didžiąja raide, kuria prasideda azoto bazės, kuri yra jo dalis, pavadinimas: - A (A) adeninas; - G (G) guaninas; - C (C) citozinas; - T (T) timinas (DNR) arba U (U) uracilas (mRNR).

Genetinio kodo įgyvendinimas ląstelėje vyksta dviem etapais: transkripcija ir vertimas.

Pirmasis iš jų vyksta branduolyje; ji susideda iš mRNR molekulių sintezės atitinkamose DNR dalyse. Tokiu atveju DNR nukleotidų seka „perrašoma“ į RNR nukleotidų seką. Antrasis etapas vyksta citoplazmoje, ribosomose; šiuo atveju i-RNR nukleotidų seka paverčiama aminorūgščių seka baltyme: šiame etape dalyvauja perdavimo RNR (t-RNR) ir atitinkami fermentai.

2. Genetinio kodo savybės

1. Trigubas

Kiekvieną aminorūgštį koduoja 3 nukleotidų seka.

Tripletas arba kodonas yra trijų nukleotidų seka, koduojanti vieną aminorūgštį.

Kodas negali būti monopletinis, nes 4 (skirtingų nukleotidų skaičius DNR) yra mažesnis nei 20. Kodas negali būti dvigubas, nes 16 (4 nukleotidų derinių ir permutacijų skaičius po 2) yra mažesnis nei 20. Kodas gali būti tripletas, nes 64 (derinių ir permutacijų skaičius nuo 4 iki 3) yra didesnis nei 20.

2. Degeneracija.

Visas aminorūgštis, išskyrus metioniną ir triptofaną, koduoja daugiau nei vienas tripletas: 2 aminorūgštys 1 tripletas = 2 9 aminorūgštys 2 tripletai = 18 1 aminorūgštis 3 tripletai = 3 5 aminorūgštys 4 tripletai = 20 3 aminorūgštys 6 tripletai kiekvienas = 18 Iš viso 61 tripletas kodas 20 aminorūgščių.

3. Tarpgeninių skyrybos ženklų buvimas.

Genas yra DNR dalis, koduojanti vieną polipeptidinę grandinę arba vieną tRNR, rRNR arba sRNR molekulę.

tRNR, rRNR ir sRNR genai nekoduoja baltymų.

Kiekvieno geno, koduojančio polipeptidą, gale yra bent vienas iš 3 terminacinių kodonų arba stop signalų: UAA, UAG, UGA. Jie nutraukia transliaciją.

Paprastai AUG kodonas taip pat priklauso skyrybos ženklams – pirmam po lyderio sekos. Ji atlieka didžiosios raidės funkciją. Šioje padėtyje jis koduoja formilmetioniną (prokariotuose).

4. Unikalumas.

Kiekvienas tripletas koduoja tik vieną aminorūgštį arba yra vertimo terminatorius.

Išimtis yra AUG kodonas. Prokariotuose pirmoje padėtyje (didžioji raidė) jis koduoja formilmetioniną, o bet kurioje kitoje pozicijoje – metioniną.

5. Kompaktiškumas arba intrageninių skyrybos ženklų nebuvimas.

Geno viduje kiekvienas nukleotidas yra reikšmingo kodono dalis.

1961 metais Seymouras Benzeris ir Francisas Crickas eksperimentiškai įrodė, kad kodas yra trigubas ir kompaktiškas.

Eksperimento esmė: „+“ mutacija – vieno nukleotido įterpimas. „-“ mutacija – vieno nukleotido praradimas. Viena „+“ arba „-“ mutacija geno pradžioje sugadina visą geną. Dviguba „+“ arba „-“ mutacija taip pat sugadina visą geną. Triguba „+“ arba „-“ mutacija geno pradžioje sugadina tik dalį jo. Keturguba „+“ arba „-“ mutacija vėl sugadina visą geną.

Eksperimentas įrodo, kad kodas yra tripletas ir geno viduje nėra skyrybos ženklų. Eksperimentas buvo atliktas su dviem gretimais fagų genais ir, be to, parodė, kad tarp genų yra skyrybos ženklų.

3. Genetinė informacija

Genetinė informacija – tai organizmo savybių programa, gauta iš protėvių ir genetinio kodo pavidalu įterpta į paveldimas struktūras.

Daroma prielaida, kad genetinės informacijos formavimas vyko pagal schemą: geocheminiai procesai - mineralų susidarymas - evoliucinė katalizė (autokatalizė).

Gali būti, kad pirmieji primityvūs genai buvo mikrokristaliniai molio kristalai, o kiekvienas naujas molio sluoksnis išsirikiuoja pagal ankstesnio struktūrines ypatybes, tarsi iš jo gautų informaciją apie struktūrą.

Genetinės informacijos realizavimas vyksta baltymų molekulių sintezės procese, naudojant tris RNR: informacinę (mRNR), transportinę (tRNR) ir ribosominę (rRNR). Informacijos perdavimo procesas vyksta: - tiesioginio ryšio kanalu: DNR - RNR - baltymas; ir – grįžtamojo ryšio kanalu: aplinka – baltymas – DNR.

Gyvi organizmai geba priimti, saugoti ir perduoti informaciją. Be to, gyvi organizmai linkę kuo efektyviau panaudoti gautą informaciją apie save ir supantį pasaulį. Paveldima informacija, įterpta į genus ir reikalinga gyvam organizmui egzistuoti, vystytis ir daugintis, iš kiekvieno individo perduodama jo palikuonims. Ši informacija lemia organizmo vystymosi kryptį, o jo sąveikos su aplinka procese reakcija į jo individą gali būti iškreipta, taip užtikrinant palikuonių vystymosi raidą. Gyvo organizmo evoliucijos procese atsiranda ir įsimenama nauja informacija, įskaitant informacijos vertės padidėjimą.

Įgyvendinant paveldimą informaciją tam tikromis aplinkos sąlygomis, susiformuoja tam tikros biologinės rūšies organizmų fenotipas.

Genetinė informacija lemia organizmo morfologinę sandarą, augimą, vystymąsi, medžiagų apykaitą, protinį sandėlį, polinkį į ligas ir genetinius organizmo defektus.

Daugelis mokslininkų, teisingai pabrėždami informacijos vaidmenį formuojantis ir evoliucijoje gyviems daiktams, pažymėjo šią aplinkybę kaip vieną iš pagrindinių gyvenimo kriterijų. Taigi, V.I. Karagodinas mano: „Gyvasis yra tokia informacijos ir jos užkoduotų struktūrų egzistavimo forma, kuri užtikrina šios informacijos atkūrimą tinkamomis aplinkos sąlygomis“. Informacijos ryšį su gyvenimu pažymi ir A.A. Lyapunovas: „Gyvybė yra labai sutvarkyta materijos būsena, kuri naudoja informaciją, užkoduotą atskirų molekulių būsenų, kad sukurtų nuolatines reakcijas“. Mūsų žinomas astrofizikas N.S. Kardaševas taip pat pabrėžia informacinį gyvenimo komponentą: „Gyvenimas atsiranda dėl galimybės susintetinti ypatingos rūšies molekules, kurios iš pradžių sugeba atsiminti ir panaudoti paprasčiausią informaciją apie aplinką ir savo struktūrą, kurią naudoja savisaugos tikslais. , dauginimuisi ir, kas mums ypač svarbu, gauti daugiau informacijos. Ekologas F. Tipleris savo knygoje „Nemirtingumo fizika“ atkreipia dėmesį į tokį gyvų organizmų gebėjimą kaupti ir perduoti informaciją: „Aš apibrėžiu gyvybę kaip kažkokią užkoduotą informaciją, kurią išsaugo natūrali atranka“. Be to, jis mano, kad jei taip yra, tai gyvenimo informacinė sistema yra amžina, begalinė ir nemirtinga.

Genetinio kodo atradimas ir molekulinės biologijos dėsnių nustatymas parodė, kad reikia derinti šiuolaikinę genetiką ir Darvino evoliucijos teoriją. Taip gimė nauja biologinė paradigma – sintetinė evoliucijos teorija (STE), kurią jau galima laikyti neklasikine biologija.

Pagrindinės Darvino evoliucijos idėjos su jo triada – paveldimumas, kintamumas, natūrali atranka – šiuolaikiniu gyvojo pasaulio evoliucijos požiūriu yra papildytos ne tik natūralios, bet ir genetiškai nulemtos atrankos idėjomis. Sintetinės arba bendrosios evoliucijos raidos pradžia galima laikyti S.S. Četverikovą apie populiacijos genetiką, kurioje buvo įrodyta, kad atrenkami ne atskiri bruožai ir individai, o visos populiacijos genotipas, tačiau tai atliekama per atskirų individų fenotipinius požymius. Tai lemia naudingų pokyčių plitimą visoje populiacijoje. Taigi evoliucijos mechanizmas įgyvendinamas tiek per atsitiktines mutacijas genetiniame lygmenyje, tiek per paveldimą vertingiausius bruožus (informacijos vertę!), kurie lemia mutacinių savybių prisitaikymą prie aplinkos, suteikiant gyvybingiausius palikuonis. .

Sezoniniai klimato pokyčiai, įvairios stichinės ar žmogaus sukeltos nelaimės, viena vertus, lemia genų pasikartojimo dažnio pokyčius populiacijose ir dėl to mažėja paveldimas kintamumas. Šis procesas kartais vadinamas genetiniu dreifu. Ir kita vertus, į įvairių mutacijų koncentracijos pokyčius ir populiacijoje esančių genotipų įvairovės sumažėjimą, dėl kurio gali pasikeisti atrankos kryptis ir intensyvumas.

4. Žmogaus genetinio kodo iššifravimas

2006 m. gegužę mokslininkai, dirbantys su žmogaus genomo sekos nustatymu, paskelbė visą genetinį 1 chromosomos žemėlapį, kuris buvo paskutinė nepilnai sekvenuota žmogaus chromosoma.

2003 m. buvo paskelbtas preliminarus žmogaus genetinis žemėlapis, žymintis oficialią Žmogaus genomo projekto pabaigą. Jos rėmuose buvo sekvenuoti genomo fragmentai, kuriuose yra 99% žmogaus genų. Genų identifikavimo tikslumas buvo 99,99%. Tačiau projekto pabaigoje tik keturios iš 24 chromosomų buvo visiškai sekvenuotos. Faktas yra tas, kad, be genų, chromosomose yra fragmentų, kurie nekoduoja jokių požymių ir nedalyvauja baltymų sintezėje. Šių fragmentų vaidmuo organizmo gyvenime vis dar nežinomas, tačiau vis daugiau mokslininkų linkę manyti, kad jų tyrimas reikalauja didžiausio dėmesio.