Cod genetic în cuvinte simple. Degenerarea codului genetic: informații generale

COD GENETIC(greacă, genetikos referitor la origine; sin.: cod, cod biologic, cod aminoacizi, cod proteine, cod acid nucleic) - sistem de înregistrare informații ereditareîn moleculele de acizi nucleici ale animalelor, plantelor, bacteriilor și virușilor prin alternarea secvențelor de nucleotide.

Informația genetică (Fig.) de la celulă la celulă, de la generație la generație, cu excepția virusurilor care conțin ARN, este transmisă prin reduplicarea moleculelor de ADN (vezi Replicare). Implementarea informațiilor ereditare ADN în timpul vieții unei celule se realizează prin 3 tipuri de ARN: informațional (ARNm sau ARNm), ribozomal (ARNr) și de transport (ARNt), care sunt sintetizate folosind enzima ARN polimeraza de pe ADN ca un matrice. În acest caz, secvența de nucleotide dintr-o moleculă de ADN determină în mod unic secvența de nucleotide în toate cele trei tipuri de ARN (vezi Transcriere). Informația genei (vezi), care codifică o moleculă de proteină, este transportată numai de ARNm. Produsul final al implementării informațiilor ereditare este sinteza moleculelor de proteine, a căror specificitate este determinată de secvența de aminoacizi incluși în acestea (vezi Traducerea).

Deoarece ADN-ul sau ARN-ul contine doar 4 baze azotate diferite [in ADN - adenina (A), timina (T), guanina (G), citozina (C); în ARN - adenină (A), uracil (U), citozină (C), guanină (G)], a cărei secvență determină secvența a 20 de aminoacizi din proteină, se pune problema GK, adică problema traducerii un alfabet de 4 litere de acizi nucleici într-un alfabet de 20 de litere de polipeptide.

Pentru prima dată, ideea sintezei matricei a moleculelor de proteine ​​cu predicția corectă a proprietăților unei matrice ipotetice a fost formulată de N.K Koltsov în 1944, O. Avery și colab transmiterea caracteristicilor ereditare în timpul transformării în pneumococi . În 1948, E. Chargaff a arătat că în toate moleculele de ADN există o egalitate cantitativă a nucleotidelor corespunzătoare (A-T, G-C). În 1953, F. Crick, J. Watson și M. H. F. Wilkins, pe baza acestei reguli și a datelor de difracție de raze X (vezi), au ajuns la concluzia că moleculele de ADN sunt o dublă helix constând din două fire de polinucleotide legate între ele prin hidrogen. obligațiuni. Mai mult decât atât, numai T poate fi împotriva A unui lanț din al doilea și numai C poate fi împotriva lui G. Această complementaritate duce la faptul că secvența de nucleotide a unui lanț determină în mod unic secvența celuilalt. A doua concluzie semnificativă care decurge din acest model este că molecula de ADN este capabilă de auto-reproducere.

În 1954, G. Gamow a formulat problema ecuațiilor geometrice în ea formă modernă. În 1957, F. Crick a exprimat Ipoteza adaptorului, sugerând că aminoacizii interacționează cu acidul nucleic nu direct, ci prin intermediari (cunoscut acum ca tARN). În următorii ani după aceasta, toate legăturile fundamentale schema generala transmiterea informaţiei genetice, iniţial ipotetică, a fost confirmată experimental. În 1957, ARNm-urile au fost descoperite [A. S. Spirin, A. N. Belozersky şi colab.; Folkin și Astrachan (E. Volkin, L. Astrachan)] și ARNt [Hoagland (M.V. Hoagland)]; în 1960, ADN-ul a fost sintetizat în afara celulei folosind macromoleculele de ADN existente ca matrice (A. Kornberg) și a fost descoperită sinteza ARN dependentă de ADN [S B. Weiss et al.]. În 1961, a fost creat un sistem fără celule, în care substanțele asemănătoare proteinelor au fost sintetizate în prezența ARN-ului natural sau a poliribonucleotidelor sintetice [M. Nirenberg și Matthaei (J. H. Matthaei)]. Problema cunoașterii lui G. k a constat în cercetare proprietăți generale codul și decodificarea lui reală, adică aflarea combinațiilor de nucleotide (codoni) codifică anumiți aminoacizi.

Proprietățile generale ale codului au fost clarificate independent de decodificarea lui și în principal înaintea acestuia prin analizarea modelelor moleculare de formare a mutațiilor (F. Krick și colab., 1961; N.V. Luchnik, 1963). Ele se rezumă la următoarele:

1. Codul este universal, adică identic, cel puțin practic, pentru toate ființele vii.

2. Codul este triplet, adică fiecare aminoacid este codificat de un triplet de nucleotide.

3. Codul nu se suprapune, adică o anumită nucleotidă nu poate face parte din mai mult de un codon.

4. Codul este degenerat, adică un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete.

5. Informațiile despre structura primară a proteinei sunt citite din ARNm secvenţial, pornind de la un punct fix.

6. Majoritatea tripleților posibili au „sens”, adică codifică pentru aminoacizi.

7. Dintre cele trei „litere” ale unui codon, doar două (obligatoriu) au o semnificație predominantă, în timp ce a treia (opțională) poartă mult mai puține informații.

Decodificarea directă a codului ar consta în compararea secvenței de nucleotide din gena structurală (sau ARNm sintetizat pe aceasta) cu secvența de aminoacizi din proteina corespunzătoare. Cu toate acestea, o astfel de cale nu este încă posibilă din punct de vedere tehnic. Au fost utilizate alte două moduri: sinteza proteinelor într-un sistem fără celule folosind poliribonucleotide artificiale cu compoziție cunoscută ca matrice și analiza modelelor moleculare de formare a mutațiilor (vezi). Primul a adus rezultate pozitive mai devreme și a jucat istoric un rol important în descifrarea lui G. k.

În 1961, M. Nirenberg și Mattei au folosit ca matrice un homo-polimer - acid poliuridil sintetic (adică ARN artificial din compoziția UUUU...) și au obținut polifenilalanina. De aici rezultă că codonul fenilalanină este format din mai multe U, adică, în cazul unui cod triplet, este descifrat ca UUU. Ulterior, alături de homopolimeri, au fost utilizate poliribonucleotide, constând din diferite nucleotide. În același timp, se cunoștea doar compoziția polimerilor, locația nucleotidelor în ei era statistică, prin urmare analiza rezultatelor a fost statistică și a dat concluzii indirecte. Destul de repede a fost posibil să găsim cel puțin un triplet pentru toți cei 20 de aminoacizi. S-a dovedit că prezența solvenților organici, modificările pH-ului sau temperaturii, unii cationi și mai ales antibiotice fac codul ambiguu: aceiași codoni încep să stimuleze includerea altor aminoacizi, în unele cazuri un codon a început să codifice până la patru. diferiți aminoacizi. Streptomicina a afectat citirea informațiilor atât în ​​sistemele fără celule, cât și in vivo și a fost eficientă numai pe tulpinile bacteriene sensibile la streptomicina. În tulpinile dependente de streptomicină, a „corectat” citirea de la codoni care s-au schimbat ca urmare a mutației. Rezultate similare au dat motive să ne îndoim de corectitudinea decodării lui G. folosind un sistem fără celule; a fost necesară confirmarea, în primul rând prin date in vivo.

Principalele date despre G. in vivo au fost obținute prin analiza compoziției de aminoacizi a proteinelor din organismele tratate cu mutageni (vezi) cu un mecanism de acțiune cunoscut, de exemplu, azotat, care determină înlocuirea lui C cu U și A cu in. molecula de ADN G. Informatii utile oferă, de asemenea, o analiză a mutațiilor cauzate de mutageni nespecifici, o comparație a diferențelor în structura primară a proteinelor înrudite în tipuri diferite, corelația dintre compoziția ADN-ului și a proteinelor etc.

Descifrarea G. to pe baza datelor in vivo și in vitro a dat rezultate de potrivire. Ulterior, au fost dezvoltate alte trei metode de descifrare a codului în sistemele fără celule: legarea aminoacil-ARNt (adică, ARNt cu un aminoacid activat atașat) cu trinucleotide de compoziție cunoscută (M. Nirenberg și colab., 1965), legarea de aminoacil-ARNt cu polinucleotide care încep cu un anumit triplet (Mattei și colab., 1966) și utilizarea polimerilor ca ARNm, în care este cunoscută nu numai compoziția, ci și ordinea nucleotidelor (X. Korana și colab. , 1965). Toate cele trei metode se completează reciproc, iar rezultatele sunt în conformitate cu datele obținute în experimente in vivo.

În anii 70 Secolului 20 au apărut metode pentru verificarea deosebit de fiabilă a rezultatelor decodării G. k. Se știe că mutațiile care apar sub influența proflavinei constau în pierderea sau inserția de nucleotide individuale, ceea ce duce la o schimbare a cadrului de citire. În fagul T4, o serie de mutații au fost cauzate de proflavină, în care compoziția lizozimului s-a schimbat. Această compoziție a fost analizată și comparată cu acei codoni care ar fi trebuit să rezulte dintr-o schimbare de cadre. Rezultatul a fost o conformitate deplină. În plus, această metodă a făcut posibil să se stabilească ce tripleți ai codului degenerat codifică fiecare dintre aminoacizi. În 1970, J. M. Adams și colegii săi au reușit să descifreze parțial G. c folosind o metodă directă: în fagul R17, a fost determinată secvența de baze dintr-un fragment de 57 de nucleotide și a fost comparată cu secvența de aminoacizi a proteinei sale. . Rezultatele au fost complet în concordanță cu cele obținute prin metode mai puțin directe. Astfel, codul a fost decriptat complet și corect.

Rezultatele decodării sunt rezumate într-un tabel. Indică compoziția codonilor și a ARN-ului. Compoziția anticodonilor ARNt este complementară codonilor ARNm, adică în loc de Y conțin A, în loc de A - U, în loc de C - G și în loc de G - C, și corespunde codonilor genei structurale (catena de ADN). din care se citesc informatii) cu singura diferenta ca uracilul ia locul timinei. Dintre cele 64 de tripleți care pot fi formați dintr-o combinație de 4 nucleotide, 61 au „sens”, adică codifică aminoacizi, iar 3 sunt „prostii” (fără sens). Există o relație destul de clară între compoziția tripleților și semnificația lor, care a fost descoperită la analiza proprietăților generale ale codului. În unele cazuri, tripleții care codifică un aminoacid specific (de exemplu, prolină, alanină) se caracterizează prin faptul că primele două nucleotide (obligate) sunt aceleași, iar a treia (opțional) poate fi orice. În alte cazuri (când se codifică, de exemplu, asparagină, glutamina), două triplete similare au aceeași semnificație, în care primele două nucleotide coincid, iar în locul celei de-a treia există orice purină sau orice pirimidină.

Codoni prostii, dintre care 2 au denumiri speciale care corespund denumirii fagilor mutanți (UAA-ocru, UAG-chihlimbar, UGA-opal), deși nu codifică niciun aminoacid, dar au mare importanță la citirea informațiilor prin codificarea capătului unui lanț polipeptidic.

Citirea informațiilor are loc în direcția de la 5 1 -> 3 1 - până la sfârșitul lanțului nucleotidic (vezi Acizi dezoxiribonucleici). În acest caz, sinteza proteinelor trece de la un aminoacid cu o grupare amino liberă la un aminoacid cu o grupare carboxil liberă. Începutul sintezei este codificat de tripleții AUG și GUG, care în acest caz includ un aminoacil-ARNt de pornire specific, și anume N-formilmetionil-ARNt. Acești tripleți, atunci când sunt localizați în lanț, codifică metionina și, respectiv, valină. Ambiguitatea este înlăturată de faptul că începutul lecturii este precedat de prostii. Există dovezi că granița dintre regiunile ARNm care codifică diferite proteine ​​constă din mai mult de doi tripleți și că structura secundară a ARN-ului se modifică în aceste locuri; această problemă este în curs de cercetare. Dacă un codon nonsens apare într-o genă structurală, atunci proteina corespunzătoare este construită numai până la locația acestui codon.

Descoperirea și descifrarea codului genetic - o realizare remarcabilă a biologiei moleculare - a influențat toate științele biologice, în unele cazuri dând naștere la dezvoltarea unor secțiuni mari speciale (vezi Genetica moleculară). Efectul descoperirii lui G. și al cercetărilor aferente este comparat cu efectul pe care l-a avut teoria lui Darwin asupra științelor biologice.

Universalitatea geneticii este o dovadă directă a universalității mecanismelor moleculare de bază ale vieții în toți reprezentanții lumii organice. Între timp, diferențele mari în funcțiile aparatului genetic și structura acestuia în timpul tranziției de la procariote la eucariote și de la organisme unicelulare la multicelulare sunt probabil asociate cu diferențele moleculare, al căror studiu este una dintre sarcinile viitorului. Din moment ce cercetarea G.K este doar o chestiune anii recenti, semnificația rezultatelor obținute pentru medicină practică este doar de natură indirectă, permițându-ne să înțelegem natura bolilor, mecanismul de acțiune al agenților patogeni și al substanțelor medicinale. Cu toate acestea, descoperirea unor fenomene precum transformarea (vezi), transducția (vezi), suprimarea (vezi), indică posibilitatea fundamentală de corectare a informațiilor ereditare alterate patologic sau corectarea acesteia - așa-numita. inginerie genetică (vezi).

Masa. COD GENETIC

* Codifică sfârșitul lanțului.

** De asemenea, codifică începutul lanțului.

Bibliografie: Ichas M. Cod biologic, trad. din engleză, M., 1971; Archer N.B. Biofizica leziunilor citogenetice și codul genetic, L., 1968; Genetica moleculară, trans. din engleză, ed. A. N. Belozersky, partea 1, M., 1964; Acizi nucleici, trans. din engleză, ed. A. N. Belozersky, M., 1965; Watson J.D. Biologia moleculară a genei, trad. din engleză, M., 1967; Genetica fiziologică, ed. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtomo-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v„ E. Geissler, B., 1972; Codul genetic, Gold Spr. Harb. Symp. cuant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. Codul genetic, N. Y. a. o., 1967.

Datorită procesului de transcripție în celulă, informațiile sunt transferate de la ADN la proteină: ADN - ARNm - proteină. Informația genetică conținută în ADN și ARNm este conținută în secvența de nucleotide din molecule. Cum se transferă informațiile din „limbajul” nucleotidelor în „limbajul” aminoacizilor? Această traducere se realizează folosind codul genetic. Un cod, sau un cifr, este un sistem de simboluri pentru a traduce o formă de informație în alta. Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența de aminoacizi din proteine ​​folosind secvența de nucleotide din ARN-ul mesager. Cât de importantă este exact secvența de aranjare a acelorași elemente (patru nucleotide în ARN) pentru înțelegerea și păstrarea sensului informației poate fi văzut într-un exemplu simplu: prin rearanjarea literelor din codul cuvântului, obținem un cuvânt cu un alt sens - doc. Ce proprietăți are codul genetic?

1. Codul este triplet. ARN-ul este format din 4 nucleotide: A, G, C, U. Dacă am încerca să desemnăm un aminoacid cu o nucleotidă, atunci 16 din 20 de aminoacizi ar rămâne necriptați. Un cod din două litere ar cripta 16 aminoacizi (din patru nucleotide se pot face 16 combinații diferite, fiecare dintre ele conține două nucleotide). Natura a creat un cod de trei litere, sau triplet. Aceasta înseamnă că fiecare dintre cei 20 de aminoacizi este codificat de o secvență de trei nucleotide, numită triplet sau codon. Din 4 nucleotide puteți crea 64 de combinații diferite a câte 3 nucleotide (4*4*4=64). Acest lucru este mai mult decât suficient pentru a codifica 20 de aminoacizi și, se pare, 44 de codoni sunt de prisos. Cu toate acestea, nu este.

2. Codul este degenerat. Aceasta înseamnă că fiecare aminoacid este criptat de mai mult de un codon (de la doi la șase). Excepție fac aminoacizii metionină și triptofan, fiecare dintre care este codificat de un singur triplet. (Acest lucru poate fi văzut în tabelul de coduri genetice.) Faptul că metionina este codificată de un singur triplet OUT are o semnificație specială care vă va deveni clar mai târziu (16).

3. Codul este lipsit de ambiguitate. Fiecare codon codifică doar un aminoacid. La toți oamenii sănătoși, în gena care poartă informații despre lanțul beta al hemoglobinei, tripletul GAA sau GAG, I pe locul șase, codifică acidul glutamic. La pacienții cu anemie falciforme, a doua nucleotidă din acest triplet este înlocuită cu U. După cum se poate observa din tabel, tripleții GUA sau GUG, care se formează în acest caz, codifică aminoacidul valină. Știți deja la ce duce o astfel de înlocuire din secțiunea DNA.

4. Există „semne de punctuație” între gene. În textul tipărit există un punct la sfârșitul fiecărei fraze. Mai multe fraze înrudite formează un paragraf. În limbajul informațiilor genetice, un astfel de paragraf este un operon și mARN-ul său complementar. Fiecare genă din operon codifică un lanț polipeptidic - o frază. Deoarece în unele cazuri mai multe lanțuri polipeptidice diferite sunt create secvenţial din matricea ARNm, acestea trebuie separate unele de altele. În acest scop în cod genetic Există trei tripleți speciali - UAA, UAG, UGA, fiecare dintre acestea indicând terminarea sintezei unui lanț polipeptidic. Astfel, aceste triplete funcționează ca semne de punctuație. Ele se găsesc la sfârșitul fiecărei gene. Nu există „semne de punctuație” în interiorul genei. Întrucât codul genetic este asemănător cu un limbaj, să analizăm această proprietate folosind exemplul unei fraze compuse din tripleți: era odată o pisică tăcută, pisica aceea îmi era dragă. Sensul a ceea ce este scris este clar, în ciuda absenței semnelor de punctuație Dacă înlăturăm o literă din primul cuvânt (o nucleotidă din genă), dar citim și în triplete de litere, atunci rezultatul va fi un nonsens: ilb ylk. ott ilb yls erm ilm no otk Încălcarea sensului apare și atunci când una sau două nucleotide sunt pierdute dintr-o genă Proteina care va fi citită dintr-o astfel de genă deteriorată nu va avea nimic în comun cu proteina care a fost codificată de gena normală. .

6. Codul este universal. Codul genetic este același pentru toate creaturile care trăiesc pe Pământ. În bacterii și ciuperci, grâu și bumbac, pești și viermi, broaște și oameni, aceleași tripleți codifică aceiași aminoacizi.

Fiecare organism viu are un set special de proteine. Anumiți compuși nucleotidici și secvența lor în molecula de ADN formează codul genetic. Transmite informații despre structura proteinei. Un anumit concept a fost acceptat în genetică. Potrivit acesteia, o genă corespundea unei enzime (polipeptidă). Trebuie spus că cercetările asupra acizilor nucleici și proteinelor au fost efectuate pe o perioadă destul de lungă. Mai târziu în articol vom arunca o privire mai atentă asupra codului genetic și proprietăților acestuia. De asemenea, va fi oferită o scurtă cronologie a cercetării.

Terminologie

Codul genetic este o modalitate de codificare a secvenței proteinelor de aminoacizi care implică secvența de nucleotide. Această metodă de generare a informațiilor este caracteristică tuturor organismelor vii. Proteinele sunt substanțe organice naturale cu molecularitate ridicată. Acești compuși sunt prezenți și în organismele vii. Ele constau din 20 de tipuri de aminoacizi, care se numesc canonici. Aminoacizii sunt aranjați într-un lanț și legați într-o secvență strict stabilită. Determină structura proteinei și proprietățile sale biologice. Există, de asemenea, mai multe lanțuri de aminoacizi într-o proteină.

ADN și ARN

Acidul dezoxiribonucleic este o macromoleculă. Ea este responsabilă de transmiterea, stocarea și implementarea informațiilor ereditare. ADN-ul folosește patru baze azotate. Acestea includ adenina, guanina, citozina, timina. ARN-ul este format din aceleași nucleotide, cu excepția faptului că conține timină. În schimb, există o nucleotidă care conține uracil (U). Moleculele de ARN și ADN sunt lanțuri de nucleotide. Datorită acestei structuri, se formează secvențe - „alfabetul genetic”.

Implementarea informatiilor

Sinteza proteinelor, care este codificată de genă, este realizată prin combinarea ARNm pe un model de ADN (transcripție). Codul genetic este, de asemenea, transferat în secvența de aminoacizi. Adică, are loc sinteza lanțului polipeptidic pe ARNm. Pentru a cripta toți aminoacizii și semnalul pentru sfârșitul secvenței proteice, sunt suficiente 3 nucleotide. Acest lanț se numește triplet.

Istoria studiului

Studiul proteinelor și acizilor nucleici a fost realizat de mult timp. La mijlocul secolului al XX-lea au apărut în sfârșit primele idei despre natura codului genetic. În 1953, s-a descoperit că unele proteine ​​constau din secvențe de aminoacizi. Adevărat, la acea vreme nu puteau încă determina numărul lor exact și au existat numeroase dispute în acest sens. În 1953, două lucrări au fost publicate de autorii Watson și Crick. Primul a spus despre structura secundară a ADN-ului, al doilea a vorbit despre copierea sa permisă folosind sinteza șablonului. În plus, s-a pus accent pe faptul că o anumită secvență de baze este un cod care poartă informații ereditare. Fizicianul american și sovietic Georgiy Gamow și-a asumat ipoteza de codificare și a găsit o metodă pentru a o testa. În 1954, lucrarea sa a fost publicată, timp în care și-a propus să stabilească corespondențe între lanțurile laterale de aminoacizi și „găurile” în formă de diamant și să folosească acest lucru ca mecanism de codare. Apoi a fost numit rombic. Explicându-și munca, Gamow a recunoscut că codul genetic ar putea fi un triplet. Lucrarea fizicianului a fost una dintre primele dintre cele care au fost considerate apropiate de adevăr.

Clasificare

După câțiva ani, a fost propus diverse modele coduri genetice, care sunt de două tipuri: suprapuse și nesuprapuse. Prima sa bazat pe includerea unei nucleotide în mai mulți codoni. Include un cod genetic triunghiular, secvențial și major-minor. Al doilea model presupune două tipuri. Codurile care nu se suprapun includ codul combinat și codul fără virgulă. Prima opțiune se bazează pe codificarea unui aminoacid prin tripleți de nucleotide, iar principalul lucru este compoziția sa. Conform „codului fără virgule”, anumite triplete corespund aminoacizilor, dar altele nu. În acest caz, s-a crezut că dacă orice triplete semnificative ar fi aranjate secvenţial, altele situate într-un cadru de citire diferit ar fi inutile. Oamenii de știință au crezut că este posibil să se selecteze o secvență de nucleotide care să satisfacă aceste cerințe și că există exact 20 de tripleți.

Deși Gamow și coautorii săi au pus la îndoială acest model, acesta a fost considerat cel mai corect în următorii cinci ani. La începutul celei de-a doua jumătate a secolului al XX-lea au apărut noi date care au făcut posibilă descoperirea unor neajunsuri în „codul fără virgule”. S-a descoperit că codonii sunt capabili să inducă sinteza proteinelor in vitro. Mai aproape de 1965, principiul tuturor celor 64 de tripleți a fost înțeles. Ca urmare, a fost descoperită redundanța unor codoni. Cu alte cuvinte, secvența de aminoacizi este codificată de mai mulți tripleți.

Trăsături distinctive

Proprietățile codului genetic includ:

Variante

Prima abatere a codului genetic de la standard a fost descoperită în 1979 în timpul studiului genelor mitocondriale din corpul uman. Alte variante similare au fost identificate în continuare, inclusiv multe coduri mitocondriale alternative. Acestea includ decodificarea codonului stop UGA, care este utilizat pentru a determina triptofanul în micoplasme. GUG și UUG în arhee și bacterii sunt adesea folosite ca opțiuni de pornire. Uneori, genele codifică o proteină cu un codon de început care diferă de cel utilizat în mod normal de specie. În plus, în unele proteine, selenocisteina și pirolizina, care sunt aminoacizi nestandard, sunt inserate de ribozom. Ea citește codonul de oprire. Aceasta depinde de secvențele găsite în ARNm. În prezent, selenocisteina este considerată al 21-lea aminoacid, iar pirolizanul al 22-lea prezent în proteine.

Caracteristicile generale ale codului genetic

Cu toate acestea, toate excepțiile sunt rare. În organismele vii, codul genetic are în general o serie de caracteristici comune. Acestea includ compoziția unui codon, care include trei nucleotide (primele două aparțin celor definitorii), transferul de codoni prin ARNt și ribozomi în secvența de aminoacizi.

Codul genetic este o criptare specială a informațiilor ereditare folosind molecule. Pe baza acesteia, genele controlează în mod corespunzător sinteza proteinelor și enzimelor în organism, determinând astfel metabolismul. La rândul său, structura proteinelor individuale și funcțiile lor sunt determinate de locația și compoziția aminoacizilor - unități structurale molecule de proteine.

La mijlocul secolului trecut, au fost identificate gene care sunt secțiuni separate (abreviate ca ADN). Unitățile de nucleotide formează un lanț dublu caracteristic, asamblat sub formă de helix.

Oamenii de știință au găsit o legătură între gene și structura chimică a proteinelor individuale, a cărei esență este că ordinea structurală a aminoacizilor din moleculele proteice corespunde pe deplin cu ordinea nucleotidelor din genă. După ce au stabilit această legătură, oamenii de știință au decis să descifreze codul genetic, adică. stabilesc legi de corespondență între ordinele structurale ale nucleotidelor din ADN și aminoacizilor din proteine.

Există doar patru tipuri de nucleotide:

1) A - adenil;

2) G - guanil;

3) T - timidil;

4) C - citidil.

Proteinele conțin douăzeci de tipuri de aminoacizi bazici. Au apărut dificultăți în descifrarea codului genetic, deoarece există mult mai puține nucleotide decât aminoacizi. În rezolvarea acestei probleme, s-a propus ca aminoacizii să fie codificați prin diferite combinații de trei nucleotide (așa-numitul codon sau triplet).

În plus, a fost necesar să se explice exact cum sunt localizați tripleții de-a lungul genei. Astfel, au apărut trei grupuri principale de teorii:

1) tripleții se succed continuu, adică formează un cod continuu;

2) tripletele sunt aranjate cu secțiuni alternante „fără sens”, adică. așa-numitele „virgule” și „paragrafe” sunt formate în cod;

3) tripleții se pot suprapune, adică sfârşitul primului triplet poate forma începutul următorului.

În prezent, teoria continuității codului este utilizată în principal.

Codul genetic și proprietățile sale

1) Codul este triplet - constă din combinații arbitrare de trei nucleotide care formează codoni.

2) Codul genetic este redundant - tripleții săi. Un aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni, deoarece, conform calculelor matematice, există de trei ori mai mulți codoni decât aminoacizi. Unii codoni îndeplinesc funcții de terminare specifice: unii pot fi „semnale de oprire” care programează sfârșitul producției unui lanț de aminoacizi, în timp ce alții pot indica inițierea citirii codului.

3) Codul genetic este lipsit de ambiguitate - fiecare codon poate corespunde unui singur aminoacid.

4) Codul genetic este coliniar, i.e. secvența de nucleotide și secvența de aminoacizi corespund clar între ele.

5) Codul este scris continuu și compact, nu există nucleotide „fără sens”. Începe cu un triplet specific, care este înlocuit cu următorul fără pauză și se termină cu un codon de oprire.

6) Codul genetic este universal - genele oricărui organism codifică informații despre proteine ​​exact în același mod. Acest lucru nu depinde de nivelul de complexitate al organizării organismului sau de poziția sa sistemică.

Știința modernă sugerează că codul genetic apare direct în timpul nașterii unui nou organism din materia osoasă. Modificările aleatorii și procesele evolutive fac posibile orice variante de cod, de exemplu. aminoacizii pot fi rearanjați în orice ordine. De ce a supraviețuit acest tip de cod în timpul evoluției, de ce este codul universal și are o structură similară? Cu cât știința învață mai multe despre fenomenul codului genetic, cu atât apar mai multe mistere noi.

1. Codul este triplet.

2. Codul este degenerat.

3. Codul este lipsit de ambiguitate.

4. Codul este coliniar.

5. Codul nu se suprapune.

6. Codul este universal.

1) Codul este triplet. 3 nucleotide adiacente transportă informații despre o proteină. Pot exista 64 de astfel de tripleți (acest lucru arată redundanța codului genetic), dar doar 61 dintre ei poartă informații despre proteină (codoni). Cele 3 triplete se numesc anticodoni și sunt semnale de stop la care sinteza proteinelor se oprește.

2) Codul este degenerat. Mai mulți codoni pot codifica un aminoacid.

3) Codul este clar. Fiecare codon codifică doar un aminoacid.

4) Codul este coliniar. secvența de nucleotide dintr-o genă corespunde secvenței de aminoacizi dintr-o proteină.

5) Codul nu este suprascris. Aceeași nucleotidă nu poate face parte din doi codoni diferiți, citirea continuă, la rând, până la codonul stop. Nu există „semne de punctuație” în cod.

6) Codul este universal. Același lucru pentru toate ființele vii, adică. aceleași triplete codifică același aminoacid.

61. În ce cazuri o modificare a secvenței de nucleotide într-o genă nu afectează structura și funcția proteinei codificatoare?

1) dacă, ca urmare a unei înlocuiri de nucleotide, apare un alt codon care codifică același aminoacid;

2) dacă codonul format ca urmare a unei înlocuiri de nucleotide codifică un aminoacid diferit, dar cu similar proprietăți chimice, care nu modifică structura proteinei;

3) dacă au loc modificări de nucleotide în regiunile ADN intergenice sau nefuncționale.

№62. Replicarea ADN-ului.

Scurtă recenzie:

Replicare- procesul de sinteză a unei molecule fiice deoxiribo acid nucleic pe șablonul moleculei de ADN părinte. În timpul diviziunii ulterioare a celulei mamă, fiecare celulă fiică primește o copie a unei molecule de ADN care este identică cu ADN-ul celulei mamă inițiale. Acest proces asigură transmiterea cu acuratețe a informațiilor genetice din generație în generație. Replicarea ADN-ului este realizată de un complex enzimatic complex format din 15-20 de proteine ​​diferite, numit replizom.

În momentul divizării, ADN-ul trebuie replicat complet și o singură dată. Replicarea are loc în trei etape:

1. Inițierea replicării (ADN-polimeraza începe replicarea ADN-ului prin legarea de un segment al unui lanț de nucleotide. La un anumit loc (punctul de origine al replicării), are loc denaturarea locală a ADN-ului, lanțurile diverg și se formează două furculițe de replicare, deplasându-se în direcții opuse.).

2. Alungirea (o etapă a biosintezei moleculelor de acid nucleic, constând în adăugarea secvenţială de monomeri (nucleotide) la lanţul de ADN în creştere).

3. Terminarea replicării (etapa finală are loc în momentul în care secțiunile goale sunt umplute cu nucleotide între fragmentele Okazaki).

Parte principală:

Deoarece ADN-ul este o moleculă a eredității, pentru a realiza această calitate trebuie să se copieze cu acuratețe și să păstreze astfel toate informațiile disponibile în molecula originală de ADN sub forma unei secvențe specifice de nucleotide. Acest lucru se realizează printr-un proces special care precede diviziunea oricărei celule din organism, care se numește replicare ADN - procesul de sinteză a unei molecule fiice de acid dezoxiribonucleic pe matricea moleculei de ADN părinte.

Replicarea ADN-ului are loc în trei etape:

1. Iniţiere. Constă în faptul că enzimele speciale - ADN helicaze, care desfășoară spirala ADN-ului dublu catenar, rup legăturile slabe de hidrogen care leagă nucleotidele celor două lanțuri. Ca rezultat, catenele de ADN sunt separate, iar bazele azotate libere „ie ies” din fiecare catenă (aspectul unei așa-numite furculițe de replicare).

2. Elongaţie(etapa de biosinteză a moleculelor de acid nucleic, care constă în adăugarea secvenţială de monomeri (nucleotide) la lanţul de ADN în creştere). Fiecare dintre cele două catene de ADN servește ca șablon pentru sinteza unei noi catene. Deoarece catenele părinte sunt antiparalele, replicarea continuă a ADN-ului are loc pe o singură catenă, care este numită catenul principal. O enzimă specială, ADN polimeraza, începe să se deplaseze de-a lungul catenei de ADN liberă de la capătul de 5" la capătul de 3", ajutând la atașarea nucleotidelor libere, sintetizate constant în celulă, la capătul de 3" al catenei de ADN nou sintetizate. sinteza unei noi catene pe catenă întârziată necesită formarea constantă de noi primeri (așa-numiții primeri - fragmente scurte de acid nucleic utilizate de ADN). - polimerazele pentru a iniția sinteza ADN) pentru a începe replicarea și se efectuează în segmente mici de 1000-2000 de nucleotide fiecare (fragmente Okazaki). Semințele se degradează după ce sinteza următorului fragment Okazaki este finalizată. Fragmentele de ADN adiacente rezultate sunt unite prin ADN ligază. Topoizomeraza elimină superbobinele helixului, helicaza asigură derularea dublei helix, iar proteina SSB asigură stabilitatea ADN-ului monocatenar.

3. Terminarea (finalizarea) replicării are loc atunci când golurile dintre fragmentele Okazaki sunt umplute cu nucleotide (cu participarea ADN ligazei) pentru a forma două catene duble continue de ADN și când două furculițe de replicare se întâlnesc. Apoi, ADN-ul sintetizat este răsucit pentru a forma superhelixuri.

63. Descrieți secvența proceselor care au loc în timpul replicării ADN-ului la eucariote

Mecanismele de replicare a ADN-ului procariotelor și eucariotelor diferă semnificativ prin aceea că, în al doilea caz, sinteza catenelor de ADN conducătoare și întârziate este realizată de diferite ADN polimeraze (alfa și respectiv delta), în timp ce la E. coli ambele catene de ADN sunt sintetizat de un dimer al ADN polimerazei III. ADN polimeraza alfa inițiază sinteza catenei principale la originile replicării, iar ADN polimeraza delta realizează reinițializarea ciclică a sintezei fragmentelor Okazaki, recunoscând aparent prezența nucleotidei 5"-terminale a primerului următor cu disocierea ulterioară de la ADN-ul șablon și atașarea la acesta pentru reinițializarea sintezei următorului fragment Okazaki.

Maturarea fragmentelor Okazaki la eucariote necesită îndepărtarea primerilor ARN folosind exonuclează 5"->3" (factori proteici FEN-1 sau MF-1) și RNază H1, precum și conexiunea covalentă a fragmentelor între ele sub acțiunea ADN ligazei. eu.

În prezent nu se știe ce anume servește drept semnal de declanșare pentru începerea replicării ADN-ului în faza S. Evenimentul de inițiere, după care începe sinteza ADN-ului, are loc în locații specifice numite „furci de replicare”. În timpul fazei S, grupurile de furci de replicare sunt activate simultan pe toți cromozomii.

Poziția originilor replicării în gene poate avea o semnificație biologică importantă. Faptul că într-un număr de virusuri animale replicarea începe în locuri specifice din genom sugerează că originile replicării sunt secvențe specializate din ADN-ul cromozomial. Distanța medie dintre originile de replicare este comparabilă cu distanța medie dintre buclele de cromatină adiacente. Astfel, este posibil să existe o singură origine de replicare în fiecare buclă.

Când două furculițe de replicare diverg de la aceeași origine de replicare, pe părți opuse ale acestui punct, nucleozomii părinte vor ajunge în elice ADN-fiice diferite. În acest caz, locația exactă a originii replicării în unitatea de transcripție va determina distribuția histonelor parentale preexistente între cele două gene fiice. Nu toți nucleozomii sunt exact la fel - structura cromatinei este diferită în diferite zone ale materialului genetic. Poziția exactă a originii replicării într-o genă ar putea avea, prin urmare, o semnificație biologică importantă, deoarece ar determina structura cromatinei acelei gene în următoarea generație de celule.

Declanșatorul de replicare a ADN-ului funcționează în mod clar pe o bază de totul sau nimic, deoarece replicarea ADN-ului, care începe în faza S, continuă până când procesul este finalizat. Procesul de replicare poate fi controlat de cel puțin doi căi diferite:

1) unele sistem general poate recunoaște în mod specific fiecare bandă cromozomială, o decondensează și, prin urmare, face ca toate originile de replicare să fie accesibile simultan proteinelor responsabile de formarea bulelor de replicare;

2) proteinele de replicare pot recunoaște doar câteva origini de replicare dintr-un set dat, după care replicarea locală care a început va schimba structura cromatinei rămase a unității de replicare în așa fel încât replicarea la toate celelalte origini devine posibilă.

Este posibil ca un punct critic al lanțului de evenimente care inițiază replicarea ADN-ului să fie realizarea unei anumite etape în procesul de duplicare a centriolului, care acționează atât ca parte a unui important centru organizator de microtubuli strâns asociat cu nucleul de interfază, cât și ca o componentă a fiecăruia dintre polii fusului în timpul mitozei. Centriolul pare să se dubleze printr-un proces șablon o dată pe ciclu celular (Figura 11-19).

De asemenea, nu se știe încă ce determină secvența fixă ​​de replicare a benzilor cromozomiale. Au fost propuse două ipoteze pentru a explica această secvență. Potrivit uneia dintre ele, diferite proteine ​​replicative, fiecare dintre ele specifice pentru benzile cromozomiale de un anumit tip, sunt sintetizate în faza S în timp diferit. Conform unei alte ipoteze, care acum pare mai plauzibilă, proteinele replicative acționează pur și simplu asupra acelor părți ale ADN-ului care le sunt mai accesibile; de exemplu, în timpul fazei S, poate apărea decondensarea continuă a cromozomilor și, una câte una, benzile cromozomiale devin accesibile proteinelor de replicare.