Във всяка клетка и организъм всички анатомични, морфологични и функционални характеристики се определят от структурата на протеините, които ги съставят. Наследственото свойство на тялото е способността да синтезира определени протеини. Аминокиселините са разположени в полипептидна верига, от която зависят биологичните характеристики.
Всяка клетка има своя собствена последователност от нуклеотиди в полинуклеотидната верига на ДНК. Това е генетичният код на ДНК. Чрез него се записва информация за синтеза на определени протеини. Тази статия описва какво представлява генетичният код, неговите свойства и генетична информация.
Малко история
Идеята, че може да съществува генетичен код, е формулирана от J. Gamow и A. Down в средата на ХХ век. Те описват, че нуклеотидната последователност, отговорна за синтеза на определена аминокиселина, съдържа най-малко три единици. По-късно те доказват точния брой от три нуклеотида (това е единица от генетичния код), който се нарича триплет или кодон. Има общо шестдесет и четири нуклеотида, тъй като киселинната молекула, където се намира РНК, е изградена от четири различни нуклеотидни остатъка.
Какво е генетичен код
Методът за кодиране на последователността на аминокиселинните протеини, дължащ се на последователността на нуклеотидите, е характерен за всички живи клетки и организми. Това е генетичният код.
В ДНК има четири нуклеотида:
- аденин - А;
- гуанин - G;
- цитозин - С;
- тимин - Т.
Те се обозначават с главни латински или (в рускоезичната литература) руски букви.
РНК също съдържа четири нуклеотида, но един от тях е различен от ДНК:
- аденин - А;
- гуанин - G;
- цитозин - С;
- урацил - U.
Всички нуклеотиди са подредени във вериги, като ДНК има двойна спирала, а РНК има единична спирала.
Протеините се изграждат там, където те, разположени в определена последователност, го определят биологични свойства.
Свойства на генетичния код
Тройност. Единицата на генетичния код се състои от три букви, тя е триплет. Това означава, че съществуващите двадесет аминокиселини са кодирани от три специфични нуклеотида, наречени кодони или трипети. Има шестдесет и четири комбинации, които могат да бъдат създадени от четири нуклеотида. Това количество е повече от достатъчно за кодиране на двадесет аминокиселини.
Дегенерация. Всяка аминокиселина съответства на повече от един кодон, с изключение на метионин и триптофан.
Еднозначност. Един кодон кодира една аминокиселина. Например в ген здрав човекс информация за бета целта на хемоглобина, триплетът на GAG и GAA кодира А при всеки със сърповидно-клетъчна болест, един нуклеотид е променен.
Колинеарност. Последователността от аминокиселини винаги съответства на последователността от нуклеотиди, които генът съдържа.
Генетичният код е непрекъснат и компактен, което означава, че няма препинателни знаци. Тоест, започвайки от определен кодон, се получава непрекъснато четене. Например AUGGGUGTSUUAAUGUG ще се чете като: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Но не AUG, UGG и така нататък или нещо друго.
Универсалност. Такава е за абсолютно всички земни организми, от хората до рибите, гъбите и бактериите.
Таблица
Не всички налични аминокиселини са включени в представената таблица. Хидроксипролин, хидроксилизин, фосфосерин, йодни производни на тирозин, цистин и някои други отсъстват, тъй като те са производни на други аминокиселини, кодирани от m-RNA и образувани след модификация на протеини в резултат на транслация.
От свойствата на генетичния код е известно, че един кодон е способен да кодира една аминокиселина. Изключение прави генетичният код, който изпълнява допълнителни функции и кодира валин и метионин. ИРНК, намираща се в началото на кодона, прикрепя t-РНК, която носи формилметион. След завършване на синтеза, той се отцепва и отнема формилния остатък със себе си, превръщайки се в метионинов остатък. По този начин горните кодони са инициаторите на синтеза на полипептидната верига. Ако не са в началото, значи не са по-различни от останалите.
Генетична информация
Тази концепция означава програма от свойства, която се предава от предците. Тя е заложена в наследствеността като генетичен код.
Генетичният код се реализира по време на протеиновия синтез:
- информационна РНК;
- рибозомна рРНК.
Информацията се предава чрез директна комуникация (ДНК-РНК-протеин) и обратна комуникация (среда-протеин-ДНК).
Организмите могат да го приемат, съхраняват, предават и използват най-ефективно.
Предаваната по наследство информация определя развитието на определен организъм. Но поради взаимодействие с средареакцията на последния е изкривена, поради което се получава еволюция и развитие. По този начин в тялото се въвежда нова информация.
Компютърни модели молекулярна биологияи откриването на генетичния код илюстрира необходимостта от съчетаване на генетиката с теорията на Дарвин, на базата на която възниква синтетична теория за еволюцията - некласическа биология.
Наследствеността, вариациите и естественият подбор на Дарвин се допълват от генетично определен подбор. Еволюцията се осъществява на генетично ниво чрез случайни мутации и унаследяване на най-ценните черти, които са най-адаптирани към околната среда.
Декодиране на човешкия код
През 90-те години стартира проектът за човешкия геном, в резултат на който през две хиляди са открити фрагменти от геном, съдържащи 99,99% от човешките гени. Фрагменти, които не участват в протеиновия синтез и не са кодирани, остават неизвестни. Ролята им засега остава неизвестна.
Последно открита през 2006 г., хромозома 1 е най-дългата в генома. Повече от триста и петдесет болести, включително рак, се появяват в резултат на нарушения и мутации в него.
Ролята на подобни изследвания не може да бъде надценена. Когато откриха какъв е генетичният код, стана известно по какви модели протича развитието, как се формират морфологичната структура, психиката, предразположението към определени заболявания, метаболизма и дефектите на индивидите.
В метаболизма на тялото водеща роля
принадлежи към протеините и нуклеиновите киселини.
Протеиновите вещества формират основата на всички жизненоважни клетъчни структури и имат необичайно висока реактивност, надарен с каталитични функции.
Нуклеиновите киселини са част от най-важния орган на клетката - ядрото, както и цитоплазмата, рибозомите, митохондриите и др. Нуклеиновите киселини играят важна, първостепенна роля в наследствеността, изменчивостта на тялото и синтеза на протеини.
Планирайтесинтез протеинът се съхранява в клетъчното ядро, а директният синтез се извършва извън ядрото, така че е необходимо услуга за доставкакодиран план от ядрото до мястото на синтеза. Тази услуга за доставка се извършва от РНК молекули.
Процесът започва при сърцевина клетки: част от „стълбата“ на ДНК се развива и отваря. Благодарение на това РНК буквите образуват връзки с отворените ДНК букви на една от ДНК веригите. Ензимът прехвърля буквите на РНК, за да ги свърже във верига. Ето как буквите на ДНК се „пренаписват“ в буквите на РНК. Новообразуваната РНК верига се разделя и ДНК „стълбата“ се извива отново. Процесът на четене на информация от ДНК и нейното синтезиране с помощта на нейната РНК матрица се нарича транскрипция , а синтезираната РНК се нарича информационна или тРНК .
След допълнителни модификации този тип кодирана иРНК е готова. тРНК излиза от ядротои отива до мястото на протеиновия синтез, където се дешифрират буквите на иРНК. Всеки набор от три i-RNA букви образува „буква“, която представлява една специфична аминокиселина.
Друг тип РНК открива тази аминокиселина, улавя я с помощта на ензим и я доставя до мястото на протеинов синтез. Тази РНК се нарича трансферна РНК или т-РНК. Тъй като иРНК съобщението се чете и превежда, веригата от аминокиселини нараства. Тази верига се усуква и сгъва в уникална форма, създавайки един вид протеин. Дори процесът на сгъване на протеини е забележителен: нужен е компютър, за да изчисли всичко опциисгъването на протеин със среден размер, състоящ се от 100 аминокиселини, ще отнеме 1027 (!) години. И отнема не повече от една секунда, за да се образува верига от 20 аминокиселини в тялото и този процес протича непрекъснато във всички клетки на тялото.
Гени, генетичен код и неговите свойства.
На Земята живеят около 7 милиарда души. Освен 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, генетично всички хора са различни : всеки е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности и темперамент.
Тези разлики са обяснени различия в генотипите- набори от гени на организма; Всеки един е уникален. Въплъщават се генетичните характеристики на определен организъм в протеини - следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и много малко, от протеина на друг човек.
Това не означаваче няма двама души с напълно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или да се различават само леко с една или две аминокиселини един от друг. Но не съществува на Земята от хора (с изключение на еднояйчните близнаци), които биха имали всичките им протеини са еднакви .
Информация за първична структуракатерицакодиран като последователност от нуклеотиди в част от ДНК молекула, ген – единица наследствена информация на организъм. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на един организъм го съставлява генотип . по този начин
Генът е единица наследствена информация на организъм, която съответства на отделен участък от ДНК
Кодирането на наследствената информация се извършва с помощта на генетичен код , който е универсален за всички организми и се различава само по редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодират протеини на конкретни организми.
Генетичен код се състои от триплети (триплети) от ДНК нуклеотиди, комбинирани в различни последователности (AAT, HCA, ACG, THC и др.), всяка от които кодира специфична аминокиселина (която ще бъде вградена в полипептидната верига).
Всъщност код
брои последователност от нуклеотиди в иРНК молекула
, защото той премахва информация от ДНК (процес транскрипции
) и го превежда в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезираните протеини (процесът излъчвания
).
Съставът на иРНК включва нуклеотиди A-C-G-U, чиито тройки се наричат кодони
: триплет на ДНК CGT върху i-RNA ще стане триплет GCA, а триплет ДНК AAG ще стане триплет UUC. точно така иРНК кодони
генетичният код е отразен в записа.
по този начин генетичен код - единна системазаписи на наследствена информация в молекули нуклеинови киселиникато последователност от нуклеотиди . Генетичният код се основава на използването на азбука, състояща се само от четири букви-нуклеотиди, разграничени от азотни бази: A, T, G, C.
Основни свойства на генетичния код:
1. Генетичен код триплет. Триплет (кодон) е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина. Тъй като протеините съдържат 20 аминокиселини, очевидно е, че всяка от тях не може да бъде кодирана от един нуклеотид ( Тъй като в ДНК има само четири вида нуклеотиди, в този случай 16 аминокиселини остават некодирани). Два нуклеотида също не са достатъчни за кодиране на аминокиселини, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 16 аминокиселини. Това означава, че най-малкият брой нуклеотиди, кодиращи една аминокиселина, трябва да бъде поне три. В този случай броят на възможните нуклеотидни триплети е 43 = 64.
2. Излишък (дегенерация)Кодът е следствие от неговата триплетна природа и означава, че една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (тъй като има 20 аминокиселини и 64 триплета), с изключение на метионин и триптофан, които са кодирани само от един триплет. В допълнение, някои триплети изпълняват специфични функции: в молекулата на иРНК триплетите UAA, UAG, UGA са стоп кодони, т.е. спрете-сигнали, които спират синтеза полипептидна верига. Триплетът, съответстващ на метионин (AUG), разположен в началото на ДНК веригата, не кодира аминокиселина, но изпълнява функцията на иницииране (възбуждащо) четене.
3. Еднозначност код - в същото време като излишък, кодът има свойството еднозначност : всеки кодон съвпада само единопределена аминокиселина.
4. Колинеарност код, т.е. нуклеотидна последователност в ген точносъответства на последователността на аминокиселините в протеина.
5. Генетичен код без припокриване и компактност , т.е. не съдържа „препинателни знаци“. Това означава, че процесът на четене не позволява възможността за припокриване на колони (триплети) и, започвайки от определен кодон, четенето продължава непрекъснато, триплет след триплет, докато спрете-сигнали ( стоп кодони).
6. Генетичен код универсален , т.е. ядрените гени на всички организми кодират информация за протеините по един и същи начин, независимо от нивото на организация и систематична позициятези организми.
има таблици с генетичен код за декриптиране кодони иРНК и изграждане на вериги от белтъчни молекули.
Реакции на матричен синтез.
Реакции, непознати в неживата природа, възникват в живите системи - реакции на матричен синтез.
Терминът "матрица"в технологията те обозначават матрица, използвана за отливане на монети, медали и типографски шрифтове: закаленият метал точно възпроизвежда всички детайли на матрицата, използвана за отливане. Матричен синтезнаподобява отливане върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с плана, заложен в структурата на съществуващите молекули.
Принципът на матрицата се крие в основатанай-важното синтетични реакцииклетки, като например синтеза на нуклеинови киселини и протеини. Тези реакции осигуряват точната, строго специфична последователност на мономерните звена в синтезираните полимери.
Тук се извършват насочени действия. издърпване на мономери до определено мястоклетки - в молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на произволни сблъсъци на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на принципа на шаблона се извършва бързо и точно. Ролята на матрицата макромолекулите на нуклеиновите киселини играят в матрични реакции ДНК или РНК .
Мономерни молекулиот които се синтезира полимерът - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността, са разположени и фиксирани върху матрицата в строго определен, определен ред.
Тогава се случва "омрежване" на мономерни единици в полимерна веригаи готовият полимер се изхвърля от матрицата.
След това матрицата е готоваза сглобяване на нов полимерна молекула. Ясно е, че както върху даден калъп може да се отлее само една монета или една буква, така и върху дадена матрична молекула може да се „сглоби“ само един полимер.
Матричен тип реакция - специфична особеностхимия на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всички живи същества - способността му да възпроизвежда себеподобните си.
Реакции на шаблонен синтез
1. репликация на ДНК - репликация (от латински replicatio - подновяване) - процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина върху матрицата на родителската ДНК молекула. По време на последващото делене на майчината клетка всяка дъщерна клетка получава едно копие на ДНК молекула, която е идентична с ДНК на оригиналната майчина клетка. Този процес гарантира, че генетичната информация се предава точно от поколение на поколение. Репликацията на ДНК се осъществява от сложен ензимен комплекс, състоящ се от 15-20 различни протеина, т.нар. репликома . Материалът за синтеза е свободните нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките. Биологичният смисъл на репликацията се състои в точното предаване на наследствена информация от майчината молекула към дъщерните молекули, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.
Молекулата на ДНК се състои от две допълващи се вериги. Тези вериги се държат слабо водородни връзки, способни да се разпадат под действието на ензими. Молекулата на ДНК е способна на самодупликация (репликация) и върху всяка стара половина на молекулата се синтезира нова половина.
В допълнение, молекула иРНК може да бъде синтезирана върху молекула ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, до мястото на синтез на протеини.
Трансферът на информация и протеиновият синтез протичат на матричен принцип, сравним с работата на печатна преса в печатница. Информацията от ДНК се копира многократно. Ако възникнат грешки по време на копирането, те ще се повторят във всички следващи копия.
Вярно е, че някои грешки при копиране на информация с ДНК молекула могат да бъдат коригирани - процесът на отстраняване на грешки се нарича репарация. Първата от реакциите в процеса на пренос на информация е репликацията на молекулата на ДНК и синтеза на нови вериги на ДНК.
2. Транскрипция (от латински transcriptio - пренаписване) - процесът на синтез на РНК с помощта на ДНК като матрица, протичащ във всички живи клетки. С други думи, това е трансфер на генетична информация от ДНК към РНК.
Транскрипцията се катализира от ензима ДНК-зависима РНК полимераза. РНК полимеразата се движи по дължината на ДНК молекулата в посока 3" → 5". Транскрипцията се състои от етапи начало, удължаване и завършване . Единицата на транскрипция е оперон, фрагмент от ДНК молекула, състоящ се от промоутър, транскрибирана част и терминатор . иРНК се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност с участието на ензим, който активира началото и края на синтеза на молекулата на иРНК.
Готовата молекула на иРНК навлиза в цитоплазмата върху рибозомите, където се извършва синтеза на полипептидни вериги.
3. Излъчване (от лат. превод- трансфер, движение) - процесът на синтез на протеини от аминокиселини върху матрица от информационна (пратеска) РНК (mRNA, mRNA), извършван от рибозомата. С други думи, това е процесът на транслиране на информацията, съдържаща се в последователността от нуклеотиди на иРНК в последователността от аминокиселини в полипептида.
4. Обратна транскрипция е процес на образуване на двойноверижна ДНК въз основа на информация от едноверижна РНК. Този процес се нарича обратна транскрипция, тъй като трансферът на генетична информация се извършва в "обратна" посока спрямо транскрипцията. Идеята за обратна транскрипция първоначално беше много непопулярна, защото противоречи на централната догма на молекулярната биология, която приема, че ДНК се транскрибира в РНК и след това се превежда в протеини.
Въпреки това през 1970 г. Темин и Балтимор независимо един от друг откриват ензим, наречен обратна транскриптаза (ревертаза)
, и възможността за обратна транскрипция най-накрая беше потвърдена. През 1975 г. Темин и Балтимор са наградени Нобелова наградав областта на физиологията и медицината. Някои вируси (като вируса на човешката имунна недостатъчност, който причинява HIV инфекция) имат способността да транскрибират РНК в ДНК. ХИВ има РНК геном, който е интегриран в ДНК. В резултат на това ДНК на вируса може да се комбинира с генома на клетката гостоприемник. Основният ензим, отговорен за синтеза на ДНК от РНК, се нарича реверс. Една от функциите на reversease е да създава комплементарна ДНК
(cDNA) от вирусния геном. Свързаният ензим рибонуклеаза разцепва РНК и обратното синтезиране синтезира сДНК от двойната спирала на ДНК. cDNA се интегрира в генома на клетката гостоприемник чрез интеграза. Резултатът е синтез на вирусни протеини от клетката гостоприемник, които образуват нови вируси. При ХИВ се програмира и апоптоза (клетъчна смърт) на Т-лимфоцитите. В други случаи клетката може да остане разпространител на вируси.
Последователността на реакциите на матрицата по време на биосинтеза на протеини може да бъде представена под формата на диаграма.
по този начин протеинова биосинтеза- това е един от видовете пластичен обмен, по време на който наследствената информация, кодирана в ДНК гените, се внедрява в специфична последователност от аминокиселини в протеинови молекули.
Протеиновите молекули са по същество полипептидни веригиизградени от отделни аминокиселини. Но аминокиселините не са достатъчно активни, за да се комбинират една с друга сами. Следователно, преди да се комбинират помежду си и да образуват протеинова молекула, аминокиселините трябва активирайте . Това активиране става под действието на специални ензими.
В резултат на активирането аминокиселината става по-лабилна и под действието на същия ензим се свързва с t- РНК. Всяка аминокиселина съответства на строго специфичен t- РНК, който намира „своята“ аминокиселина и трансферив рибозомата.
Следователно различни активирани аминокиселини, комбинирани със собствените имТ- РНК. Рибозомата е като конвейерда сглоби протеинова верига от различни аминокиселини, доставени към нея.
Едновременно с t-RNA, върху която „седи“ собствената му аминокиселина, „ сигнал„от ДНК, която се съдържа в ядрото. В съответствие с този сигнал в рибозомата се синтезира един или друг протеин.
Насочващото влияние на ДНК върху протеиновия синтез не се осъществява директно, а с помощта на специален посредник - матрицаили информационна РНК (m-RNAили тРНК), което синтезирани в ядрото e под влиянието на ДНК, така че неговият състав отразява състава на ДНК. Молекулата на РНК е като отливка от формата на ДНК. Синтезираната иРНК навлиза в рибозомата и като че ли я прехвърля в тази структура план- в какъв ред трябва да се комбинират активираните аминокиселини, постъпващи в рибозомата, за да се синтезира определен протеин? в противен случай генетичната информация, кодирана в ДНК, се прехвърля в иРНК и след това в протеин.
Молекулата на иРНК навлиза в рибозомата и шевовенея. Определя се този негов сегмент, който в момента се намира в рибозомата кодон (триплет), взаимодейства по напълно специфичен начин с тези, които са структурно подобни на него триплет (антикодон)в трансферната РНК, която пренася аминокиселината в рибозомата.
Трансферната РНК със своята аминокиселина съвпада със специфичен кодон на иРНК и свързвас него; към следващия, съседен участък от иРНК добавя се друга тРНК с различна аминокиселинаи така нататък, докато се прочете цялата верига на i-RNA, докато всички аминокиселини се редуцират в съответния ред, образувайки протеинова молекула. И тРНК, която доставя аминокиселината до специфична част от полипептидната верига, освободен от своята аминокиселинаи излиза от рибозомата.
След това, отново в цитоплазмата, желаната аминокиселина може да се присъедини към нея и отново да я прехвърли към рибозомата. В процеса на синтез на протеини участват едновременно не една, а няколко рибозоми - полирибозоми.
Основните етапи на трансфера на генетична информация:
1. Синтез върху ДНК като шаблон за иРНК (транскрипция)
2. Синтез на полипептидна верига в рибозомите според програмата, съдържаща се в иРНК (транслация)
.
Етапите са универсални за всички живи същества, но времевите и пространствени отношения на тези процеси се различават при про- и еукариотите.
U прокариоттранскрипцията и транслацията могат да се появят едновременно, тъй като ДНК се намира в цитоплазмата. U еукариотитранскрипцията и транслацията са строго разделени в пространството и времето: синтезът на различни РНК се извършва в ядрото, след което молекулите на РНК трябва да напуснат ядрото, преминавайки през ядрената мембрана. След това РНК се транспортират в цитоплазмата до мястото на протеинов синтез.
Лекция 5. Генетичен код
Дефиниция на понятието
Генетичният код е система за запис на информация за последователността на аминокиселините в протеините, използвайки последователността на нуклеотидите в ДНК.
Тъй като ДНК не участва пряко в протеиновия синтез, кодът е написан на езика на РНК. РНК съдържа урацил вместо тимин.
Свойства на генетичния код
1. Тройка
Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от 3 нуклеотида.
Определение: триплет или кодон е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина.
Кодът не може да бъде моноплетен, тъй като 4 (броят на различните нуклеотиди в ДНК) е по-малък от 20. Кодът не може да бъде дублетен, т.к. 16 (броят на комбинациите и пермутациите на 4 нуклеотида по 2) е по-малък от 20. Кодът може да бъде триплетен, т.к. 64 (броят на комбинациите и пермутациите от 4 до 3) е повече от 20.
2. Дегенерация.
Всички аминокиселини, с изключение на метионин и триптофан, са кодирани от повече от един триплет:
2 AK за 1 триплет = 2.
9 AK, по 2 тройки = 18.
1 AK 3 тройки = 3.
5 AK от 4 тройки = 20.
3 AK от 6 тройки = 18.
Общо 61 триплета кодират 20 аминокиселини.
3. Наличие на интергенни препинателни знаци.
определение:
ген - участък от ДНК, който кодира една полипептидна верига или една молекула тРНК, rРНК илиsRNA.
ГенитРНК, рРНК, sRNAпротеините не са кодирани.
В края на всеки ген, кодиращ полипептид, има поне един от 3 триплета, кодиращи РНК стоп кодони или стоп сигнали. В иРНК те имат следната форма: UAA, UAG, UGA . Те прекратяват (прекратяват) предаването.
Условно кодонът също принадлежи към препинателните знациАВГУСТ - първият след водещата последователност. (Вижте Лекция 8) Функционира като главна буква. В това положение той кодира формилметионин (при прокариотите).
4. Еднозначност.
Всеки триплет кодира само една аминокиселина или е терминатор на транслацията.
Изключение прави кодонътАВГУСТ . При прокариотите на първа позиция (главна буква) кодира формилметионин, а на всяка друга позиция кодира метионин.
5. Компактност или липса на вътрешни препинателни знаци.
В рамките на един ген всеки нуклеотид е част от значим кодон.
През 1961 г. Сиймур Бензър и Франсис Крик експериментално доказват триплетната природа на кода и неговата компактност.
Същността на експеримента: "+" мутация - вмъкване на един нуклеотид. "-" мутация - загуба на един нуклеотид. Една единствена мутация "+" или "-" в началото на гена разваля целия ген. Двойна мутация "+" или "-" също разваля целия ген.
Тройна “+” или “-” мутация в началото на гена разваля само част от него. Четворна мутация "+" или "-" отново разваля целия ген.
Експериментът го доказва Кодът се транскрибира и в гена няма препинателни знаци.Експериментът беше проведен върху два съседни фагови гена и показа в допълнение, наличие на препинателни знаци между гените.
6. Универсалност.
Генетичният код е един и същ за всички същества, живеещи на Земята.
През 1979 г. Burrell отваря врати идеаленкод на човешките митохондрии.
определение:
„Идеал“ е генетичен код, в който е спазено правилото за израждане на кода на квази-дублета: Ако в два триплета първите два нуклеотида съвпадат, а третите нуклеотиди принадлежат към един и същ клас (и двата са пурини или и двата са пиримидини) , тогава тези триплети кодират една и съща аминокиселина.
В универсалния кодекс има две изключения от това правило. И двете отклонения от идеалния код в универсалния се отнасят до фундаментални точки: началото и края на протеиновия синтез:
Кодон | Универсален код | Митохондриални кодове |
|||
Гръбначни | Безгръбначни | мая | растения |
||
СПРИ | СПРИ |
||||
С UA | |||||
A G A | СПРИ | ||||
СПРИ | 230 замествания не променят класа на кодираната аминокиселина. до разкъсваемост. През 1956 г. Георгий Гамов предлага вариант на припокриващия се код. Според кода на Гамов всеки нуклеотид, започвайки от третия в гена, е част от 3 кодона. При разшифроването на генетичния код се оказа, че той не се припокрива, т.е. Всеки нуклеотид е част само от един кодон. Предимства на припокриващия се генетичен код: компактност, по-малка зависимост на протеиновата структура от вмъкването или делецията на нуклеотид. Недостатък: протеиновата структура е силно зависима от нуклеотидната замяна и ограниченията на съседите. През 1976 г. ДНК на фаг φX174 е секвенирана. Има едноверижна кръгова ДНК, състояща се от 5375 нуклеотида. Известно е, че фагът кодира 9 протеина. За 6 от тях са идентифицирани гени, разположени един зад друг. Оказа се, че има припокриване. Ген Е се намира изцяло в генаг . Неговият начален кодон е резултат от изместване на рамката с един нуклеотид. генДж започва там, където свършва генътг . Стартов кодон на генаДж се припокрива със стоп кодона на генаг в резултат на изместване на два нуклеотида. Конструкцията се нарича „изместване на рамката за четене“ с брой нуклеотиди, които не са кратни на три. Към днешна дата припокриването е показано само за няколко фаги. Информационен капацитет на ДНК На Земята живеят 6 милиарда души. Наследствена информация за тях 4х10 13 книжни страници. Тези страници ще заемат пространството на 6 сгради на NSU. 6x10 9 сперматозоиди заемат половин напръстник. Тяхното ДНК заема по-малко от една четвърт напръстник. | ||||
Всеки жив организъм има специален набор от протеини. Определени нуклеотидни съединения и тяхната последователност в молекулата на ДНК образуват генетичния код. Той предава информация за структурата на протеина. В генетиката е приета определена концепция. Според него един ген съответства на един ензим (полипептид). Трябва да се каже, че изследванията върху нуклеиновите киселини и протеините са проведени в продължение на доста дълъг период от време. По-нататък в статията ще разгледаме по-подробно генетичния код и неговите свойства. Ще бъдат дадени също кратка хронологияизследвания.
Терминология
Генетичният код е начин за кодиране на последователността от аминокиселинни протеини, включваща нуклеотидната последователност. Този метод на генериране на информация е характерен за всички живи организми. Протеини - естествени органична материяс висока молекулярност. Тези съединения присъстват и в живите организми. Те се състоят от 20 вида аминокиселини, които се наричат канонични. Аминокиселините са подредени във верига и свързани в строго установена последователност. Той определя структурата на протеина и неговите биологични свойства. В протеина има и няколко вериги от аминокиселини.
ДНК и РНК
Дезоксирибонуклеиновата киселина е макромолекула. Тя отговаря за предаването, съхранението и прилагането на наследствената информация. ДНК използва четири азотни основи. Те включват аденин, гуанин, цитозин, тимин. РНК се състои от същите нуклеотиди, с изключение на това, че съдържа тимин. Вместо това има нуклеотид, съдържащ урацил (U). Молекулите на РНК и ДНК са нуклеотидни вериги. Благодарение на тази структура се формират последователности - „генетична азбука“.
Внедряване на информация
Синтезът на протеин, който е кодиран от гена, се осъществява чрез комбиниране на иРНК върху ДНК шаблон (транскрипция). Генетичният код също се прехвърля в аминокиселинната последователност. Тоест се осъществява синтеза на полипептидната верига върху иРНК. За кодиране на всички аминокиселини и сигнала за края на протеиновата последователност са достатъчни 3 нуклеотида. Тази верига се нарича триплет.
История на изследването
Проведени са изследвания на протеини и нуклеинови киселини дълго време. В средата на 20-ти век най-накрая се появиха първите идеи за природата на генетичния код. През 1953 г. е открито, че някои протеини се състоят от последователности от аминокиселини. Вярно е, че по това време те все още не можеха да определят точния им брой и имаше много спорове за това. През 1953 г. са публикувани две произведения на авторите Уотсън и Крик. Първият говори за вторичната структура на ДНК, вторият говори за допустимото й копиране с помощта на шаблонен синтез. Освен това беше акцентирано върху факта, че определена последователност от бази е код, който носи наследствена информация. американски и съветски физикГеорги Гамов направи хипотеза за кодиране и намери метод за тестването й. През 1954 г. е публикувана неговата работа, по време на която той предлага да се установят съответствия между страничните вериги на аминокиселините и "дупките" с форма на диамант и да се използва това като кодиращ механизъм. Тогава се нарича ромбичен. Обяснявайки работата си, Гамов призна, че генетичният код може да бъде триплет. Работата на физика беше една от първите сред тези, които се смятаха за близки до истината.
Класификация
През годините бяха предложени различни модели на генетични кодове от два вида: припокриващи се и неприпокриващи се. Първият се основава на включването на един нуклеотид в няколко кодона. Той включва триъгълен, последователен и голям-минорен генетичен код. Вторият модел предполага два вида. Неприпокриващите се кодове включват комбиниран код и код без запетая. Първият вариант се основава на кодирането на аминокиселина чрез триплети нуклеотиди, а основното е нейният състав. Според "кода без запетаи" някои триплети отговарят на аминокиселини, но други не. В този случай се смяташе, че ако някои значими триплети са подредени последователно, други, разположени в различна рамка за четене, биха били ненужни. Учените смятат, че е възможно да се избере нуклеотидна последователност, която да отговаря на тези изисквания, и че има точно 20 триплета.
Въпреки че Гамов и неговите съавтори поставиха под съмнение този модел, той се смяташе за най-правилния през следващите пет години. В началото на втората половина на 20 век се появиха нови данни, които позволиха да се открият някои недостатъци в „кода без запетаи“. Установено е, че кодоните са способни да индуцират протеинов синтез in vitro. По-близо до 1965 г. беше разбран принципът на всички 64 триплета. В резултат на това беше открито излишък на някои кодони. С други думи, аминокиселинната последователност е кодирана от няколко триплета.
Отличителни черти
Свойствата на генетичния код включват:
Вариации
Първото отклонение на генетичния код от стандарта е открито през 1979 г. при изследване на митохондриалните гени в човешкото тяло. Други подобни варианти бяха допълнително идентифицирани, включително много алтернативни митохондриални кодове. Те включват декодирането на UGA стоп кодона, който се използва за определяне на триптофан в микоплазмите. GUG и UUG в археи и бактерии често се използват като начални опции. Понякога гените кодират протеин със стартов кодон, който се различава от този, който обикновено се използва от вида. Освен това, в някои протеини селеноцистеинът и пиролизинът, които са нестандартни аминокиселини, се вмъкват от рибозомата. Тя чете стоп кодона. Това зависи от последователностите, открити в иРНК. Понастоящем селеноцистеинът се счита за 21-вата, а пиролизанът за 22-рата аминокиселина, присъстваща в протеините.
Общи характеристики на генетичния код
Всички изключения обаче са редки. В живите организми генетичният код има главно редица общи черти. Те включват състава на кодон, който включва три нуклеотида (първите два принадлежат към определящите), прехвърлянето на кодони от tRNA и рибозоми в аминокиселинната последователност.
Когато е необходим протеинов синтез, една клетка се появява пред клетката. сериозен проблем– информацията в ДНК се съхранява като кодирана последователност 4 знака(нуклеотиди), а протеините се състоят от 20 различни символа(аминокиселини). Ако се опитате да използвате всичките четири символа наведнъж, за да кодирате аминокиселини, ще получите само 16 комбинации, докато има 20 протеиногенни аминокиселини.
Има пример за брилянтно мислене по този въпрос:
"Вземете например тесте карти за игра, в което обръщаме внимание само на цвета на картата. Колко тройки от един и същи вид можете да получите? Четири, разбира се: тройка купа, тройка каро, тройка пика и тройка купа. Колко тройки има с две карти от една боя и една от различна боя? Да кажем, че имаме четири възможности за избор за третата карта. Следователно имаме 4x3 = 12 възможности. Освен това имаме четири тройки с трите различни карти. И така, 4+12+4=20 и това е точният брой аминокиселини, които искахме да получим” (Джордж Гамов, инж. Джордж Гамов, 1904-1968, съветски и американски физик-теоретик, астрофизик и популяризатор на науката) .
Наистина, експериментите са доказали, че за всяка аминокиселина има два задължителни нуклеотида и трета променлива, по-малко специфична (“ люлеещ ефект"). Ако вземете три знака от четири, получавате 64 комбинации, което значително надвишава броя на аминокиселините. Така се установява, че всяка аминокиселина е кодирана от три нуклеотида. Това трио се нарича кодон. Както вече споменахме, има 64 опции. Три от тях не кодират никаква аминокиселина, това са т.нар. безсмислени кодони"(френски) безсмислие- глупости) или "стоп кодони".
Генетичен код
Генетичният (биологичен) код е начин за кодиране на информация за структурата на протеините под формата на нуклеотидна последователност. Той е проектиран да превежда езика от четири знака на нуклеотидите (A, G, U, C) в езика от двадесет знака на аминокиселините. Има характерни черти:
- Тройка– три нуклеотида образуват кодон, който кодира аминокиселина. Има общо 61 сетивни кодона.
- Специфичност(или еднозначност) – всеки кодон отговаря само на една аминокиселина.
- Дегенерация– Една аминокиселина може да съответства на няколко кодона.
- Универсалност– биологичният код е еднакъв за всички видове организми на Земята (в митохондриите на бозайниците обаче има изключения).
- Колинеарност– последователността на кодоните съответства на последователността на аминокиселините в кодирания протеин.
- Без припокриване– тройките не се припокриват, като са разположени една до друга.
- Без препинателни знаци– няма допълнителни нуклеотиди или други сигнали между триплетите.
- Еднопосочност– по време на протеиновия синтез кодоните се четат последователно, без прескачане или връщане назад.
Въпреки това е ясно, че биологичният код не може да се изрази без допълнителни молекули, които изпълняват преходна функция или адаптерна функция.
Адапторна роля на трансферните РНК
Трансферните РНК са единственият посредник между 4-буквената последователност на нуклеинова киселина и 20-буквената протеинова последователност.
Всяка трансферна РНК има специфична триплетна последователност в антикодоновата верига ( антикодон) и може да прикрепи само аминокиселина, която съответства на този антикодон. Именно наличието на един или друг антикодон в тРНК определя коя аминокиселина ще бъде включена в белтъчната молекула, т.к. нито рибозомата, нито иРНК разпознават аминокиселината.
по този начин адапторна роля на тРНКе:
- при специфично свързване с аминокиселини,
- по-специално, според взаимодействието кодон-антикодон, свързване с иРНК,
- и в резултат на това във включването на аминокиселини в протеиновата верига в съответствие с информацията в иРНК.
Добавянето на аминокиселина към tRNA се извършва от ензим аминоацил-тРНК синтетаза, който има специфичност за две съединения едновременно: всяка аминокиселина и съответната й тРНК. Реакцията изисква две високоенергийни ATP връзки. Аминокиселината се прикрепя към 3" края на tRNA акцепторната верига чрез нейната α-карбоксилна група и връзката между аминокиселината и tRNA става макроергичен. α-аминогрупата остава свободна.
