Degenerarea codului genetic: informații generale. Ce este un cod genetic: informații generale Definiție cod genetic triplet al genei

COD GENETIC, o metodă de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide care formează acești acizi. O anumită secvență de nucleotide din ADN și ARN corespunde unei anumite secvențe de aminoacizi din lanțurile polipeptidice ale proteinelor. Este obișnuit să scrieți codul folosind majuscule ale alfabetului rus sau latin. Fiecare nucleotidă este desemnată prin litera cu care începe denumirea bazei azotate incluse în molecula sa: A (A) - adenină, G (G) - guanină, C (C) - citozină, T (T) - timină; în ARN, în loc de timină, uracilul este U (U). Fiecare este codificat de o combinație de trei nucleotide - un triplet sau codon. Pe scurt, calea transferului de informații genetice este rezumată în așa-numitul. Dogma centrală a biologiei moleculare: proteina ADN ` ARN f.

În cazuri speciale, informațiile pot fi transferate de la ARN la ADN, dar niciodată de la proteine ​​la gene.

Implementarea informațiilor genetice se realizează în două etape. În nucleul celular, informațional sau matrice, ARN-ul (transcripția) este sintetizat pe ADN. În acest caz, secvența de nucleotide ADN este „rescrisă” (recodificată) în secvența de nucleotide ARNm. Apoi ARNm trece în citoplasmă, se atașează de ribozom și pe acesta, ca pe o matrice, este sintetizat (traducere) lanțul polipeptidic al proteinei. Aminoacizii sunt atașați la lanțul în construcție folosind ARN de transfer într-o secvență determinată de ordinea nucleotidelor din ARNm.

Din patru „litere” puteți forma 64 de „cuvinte” diferite de trei litere (codoni). Din cei 64 de codoni, 61 codifică aminoacizi specifici și trei sunt responsabili pentru finalizarea sintezei lanțului polipeptidic. Deoarece există 61 de codoni la 20 de aminoacizi care alcătuiesc proteinele, unii aminoacizi sunt codificați de mai mult de un codon (așa-numita degenerare a codului). Această redundanță crește fiabilitatea codului și întregul mecanism de biosinteză a proteinelor. O altă proprietate a codului este specificitatea (neambiguitatea): un codon codifică doar un aminoacid.

În plus, codul nu se suprapune - informațiile sunt citite într-o direcție secvenţial, triplet cu triplet. Cea mai uimitoare proprietate a codului este universalitatea sa: este aceeași în toate ființele vii - de la bacterii la oameni (cu excepția codului genetic al mitocondriilor). Oamenii de știință văd acest lucru ca o confirmare a conceptului că toate organismele descind dintr-un strămoș comun.

Descifrarea codului genetic, adică determinarea „sensului” fiecărui codon și a regulilor prin care se citesc informațiile, a fost efectuată în 1961-1965. și este considerată una dintre cele mai izbitoare realizări ale biologiei moleculare.

Fiecare proteină este un lanț sau mai multe lanțuri de aminoacizi într-o secvență strict definită. Această secvență determină structura proteinei și, prin urmare, toate proprietățile sale biologice. Setul de aminoacizi este, de asemenea, universal pentru aproape toate organismele vii.

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

În unele proteine, aminoacizii nestandard, cum ar fi selenocisteina și pirolizina, sunt inserați de către ribozomul citind codonul stop, în funcție de secvențele din ARNm. Selenocisteina este acum considerată al 21-lea, iar pirolizina al 22-lea, aminoacizi care alcătuiesc proteinele.

În ciuda acestor excepții, toate organismele vii au coduri genetice comune: un codon este format din trei nucleotide, unde primii doi codoni sunt traduși de tARN și ribozomi într-o secvență de aminoacizi;

Note

Literatură

• Azimov A. Cod genetic. De la teoria evoluției la descifrarea ADN-ului. - M.: Tsentrpoligraf, 2006. - 208 p. - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ratner V. A. Genetic code as a system - Soros educational journal, 2000, 6, No. 3, pp. 17-22.

Legături

• Cod genetic - articol de N. P. Dubinin și V. N. Soifer în Marea Enciclopedie Sovietică
• Codul genetic în Enciclopedia chimică de pe site
• Codul genetic în Dicționarul de științe naturale „Glossary.ru”

Fundația Wikimedia.

2010.

Vedeți ce este „Cod genetic” în alte dicționare: Un sistem unificat de „înregistrare” a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide, caracteristice organismelor vii. Pentru concizie, fiecare nucleotidă este desemnată printr-o literă majusculă rusă sau latină, cu care... ...

Dicţionar Enciclopedic engleză cod, genetic; german Kod, genetica. Un sistem pentru înregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de ADN ale organismelor vii. antinazi. Enciclopedia de Sociologie, 2009...

Enciclopedia Sociologiei COD GENETIC - (codul genetic) informații conținute în moleculele de ADN și ARN mesager, care determină secvența de aminoacizi din fiecare proteină și astfel controlează natura tuturor proteinelor care alcătuiesc celula.… …

Dicționar explicativ de medicină Un sistem pentru „înregistrarea” informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic; vezi codul genetic...

Marea Enciclopedie Sovietică Un sistem unificat pentru înregistrarea moștenirilor caracteristice organismelor vii. informația din moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide. Pentru concizie, fiecare nucleotidă este desemnată rusă. sau lat. majuscule, numele incepe cu... ...

Știința naturii. Dicţionar Enciclopedic cod genetic - Un cod natural pentru înregistrarea și stocarea informațiilor genetice în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe liniare specifice de nucleotide...

Dicţionar de termeni lingvistici T.V. Mânz - (sin.: K. biologic, K. informație ereditară, K. acizi nucleici) natural K. înregistrarea și stocarea informațiilor genetice în moleculele de acid nucleic sub forma unei anumite secvențe liniare de nucleotide...

Enciclopedia Sociologiei Dicționar medical mare - engleză cod, genetic; german Kod, genetica. Un sistem pentru înregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de ADN ale organismelor vii...

Dicționar explicativ de sociologie Cod genetic - Informații conținute în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide despre calitățile ereditare caracteristice unui anumit tip de organism viu...

Cultură fizică adaptativă. Dicționar enciclopedic concis În metabolismul organismului rol principal
aparține proteinelor și acizilor nucleici.
Acizii nucleici fac parte din cel mai important organ al celulei - nucleul, precum și citoplasma, ribozomii, mitocondriile etc. Acizii nucleici joacă un rol important, primar în ereditate, variabilitatea corpului și sinteza proteinelor.

Plan sinteză proteina este stocată în nucleul celulei, iar sinteza directă are loc în afara nucleului, deci este necesar serviciu de livrare codificat plan de la nucleu la locul sintezei. Acest serviciu de livrare este realizat de molecule de ARN.

Procesul începe la miez celule: o parte a „scării” ADN-ului se desfășoară și se deschide. Datorită acestui fapt, literele ARN formează legături cu literele ADN deschise ale uneia dintre catenele de ADN. Enzima transferă literele ARN pentru a le uni într-o catenă. Acesta este modul în care literele ADN-ului sunt „rescrise” în literele ARN. Lanțul de ARN nou format este separat, iar „scara” ADN-ului se răsucește din nou. Se numește procesul de citire a informațiilor din ADN și sintetizare folosind matricea sa de ARN transcriere , iar ARN-ul sintetizat se numește mesager sau ARNm .

După modificări suplimentare, acest tip de ARNm codificat este gata. ARNm iese din nucleuși merge la locul sintezei proteinelor, unde literele ARNm sunt descifrate. Fiecare set de trei litere i-ARN formează o „litera” care reprezintă un aminoacid specific.

Un alt tip de ARN găsește acest aminoacid, îl captează cu ajutorul unei enzime și îl livrează la locul sintezei proteinelor. Acest ARN se numește ARN de transfer sau t-ARN. Pe măsură ce mesajul ARNm este citit și tradus, lanțul de aminoacizi crește. Acest lanț se răsucește și se pliază într-o formă unică, creând un singur tip de proteină. Chiar și procesul de pliere a proteinelor este remarcabil: este nevoie de un computer pentru a calcula totul opțiuni plierea unei proteine ​​de mărime medie constând din 100 de aminoacizi ar dura 1027 (!) ani. Și nu durează mai mult de o secundă pentru a forma un lanț de 20 de aminoacizi în organism, iar acest proces are loc continuu în toate celulele corpului.

Genele, codul genetic și proprietățile sale.

Aproximativ 7 miliarde de oameni trăiesc pe Pământ. În afară de cele 25-30 de milioane de perechi de gemeni identici, genetic toți oamenii sunt diferiți : fiecare este unic, are caracteristici ereditare unice, trăsături de caracter, abilități și temperament.

Aceste diferențe sunt explicate diferențe de genotipuri- seturi de gene ale organismului; Fiecare este unic. Caracteristicile genetice ale unui anumit organism sunt întruchipate în proteine - prin urmare, structura proteinei unei persoane diferă, deși foarte puțin, de proteina altei persoane.

Asta nu înseamnă că nici doi oameni nu au exact aceleași proteine. Proteinele care îndeplinesc aceleași funcții pot fi aceleași sau diferă doar puțin prin unul sau doi aminoacizi unul de celălalt. Dar nu exista pe Pământ de oameni (cu excepția gemenilor identici) care ar avea toate proteinele lor sunt la fel .

Informații despre structura primară a proteinelor codificat ca o secvență de nucleotide într-o secțiune a unei molecule de ADN, gena – o unitate de informație ereditară a unui organism. Fiecare moleculă de ADN conține multe gene. Totalitatea tuturor genelor unui organism o constituie genotip . Astfel,

Gena este o unitate de informații ereditare a unui organism, care corespunde unei secțiuni separate a ADN-ului

Codarea informațiilor ereditare are loc folosind cod genetic , care este universal pentru toate organismele și diferă doar prin alternanța nucleotidelor care formează gene și codifică proteine ​​ale unor organisme specifice.

Cod genetic constă din tripleți (tripleți) de nucleotide ADN, combinate în diferite secvențe (AAT, HCA, ACG, THC etc.), fiecare dintre ele codifică un aminoacid specific (care va fi încorporat în lanțul polipeptidic).

De fapt cod conteaza secvența de nucleotide dintr-o moleculă de ARNm , pentru că elimină informații din ADN (proces transcrieri ) și îl traduce într-o secvență de aminoacizi din moleculele proteinelor sintetizate (procesul emisiuni ).
Compoziția ARNm include nucleotide A-C-G-U, ale căror tripleți se numesc codoni : un triplet pe ADN CGT pe i-ARN va deveni un triplet GCA, iar un triplet ADN AAG va deveni un triplet UUC. Exact codoni ARNm codul genetic este reflectat în înregistrare.

Astfel, cod genetic - un sistem unificat pentru înregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide . Codul genetic se bazează pe utilizarea unui alfabet format din doar patru litere-nucleotide, distinse prin baze azotate: A, T, G, C.

Proprietățile de bază ale codului genetic:

1. Cod genetic triplet. Un triplet (codon) este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid. Deoarece proteinele conțin 20 de aminoacizi, este evident că fiecare dintre ei nu poate fi codificat de o singură nucleotidă ( Deoarece există doar patru tipuri de nucleotide în ADN, în acest caz 16 aminoacizi rămân necodați). De asemenea, două nucleotide nu sunt suficiente pentru a codifica aminoacizi, deoarece în acest caz pot fi codificați doar 16 aminoacizi. Aceasta înseamnă că cel mai mic număr de nucleotide care codifică un aminoacid trebuie să fie de cel puțin trei. În acest caz, numărul de tripleți posibili de nucleotide este 43 = 64.

2. Redundanță (degenerare) Codul este o consecință a naturii sale triplete și înseamnă că un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete (deoarece există 20 de aminoacizi și 64 de tripleți), cu excepția metioninei și triptofanului, care sunt codificați de un singur triplet. În plus, unii tripleți îndeplinesc funcții specifice: într-o moleculă de ARNm, tripleții UAA, UAG, UGA sunt codoni stop, adică. Stop-semnale care opresc sinteza lantului polipeptidic. Tripletul corespunzător metioninei (AUG), situat la începutul lanțului ADN, nu codifică un aminoacid, ci îndeplinește funcția de inițiere (excitantă) a citirii.

3. Neambiguitate cod - în același timp cu redundanța, codul are proprietatea neambiguitate : fiecare codon se potrivește numai unul un anumit aminoacid.

4. Coliniaritate cod, adică secvența de nucleotide dintr-o genă exact corespunde secvenței de aminoacizi dintr-o proteină.

5. Cod genetic nesuprapune și compacte , adică nu conține „semne de punctuație”. Aceasta înseamnă că procesul de citire nu permite posibilitatea suprapunerii coloanelor (triplete), iar, începând de la un anumit codon, citirea continuă, triplet după triplet, până la Stop-semnale ( codoni de oprire).

6. Cod genetic universal , adică genele nucleare ale tuturor organismelor codifică informații despre proteine ​​în același mod, indiferent de nivelul de organizare și poziția sistematică a acestor organisme.

Sunt tabele de coduri genetice pentru decriptare codoni ARNm și construcția lanțurilor de molecule proteice.

Reacții de sinteză a matricei.

Reacții necunoscute în natura neînsuflețită apar în sistemele vii - reacții de sinteză a matricei.

Termenul "matrice"în tehnologie ei desemnează o matriță folosită pentru turnarea monedelor, medaliilor și fonturilor tipografice: metalul întărit reproduce exact toate detaliile matriței folosite la turnare. Sinteza matricei se aseamănă cu turnarea pe o matrice: moleculele noi sunt sintetizate exact în conformitate cu planul stabilit în structura moleculelor existente.

Principiul matricei se află la miez cele mai importante reacții sintetice ale celulei, cum ar fi sinteza acizilor nucleici și a proteinelor. Aceste reacții asigură secvența exactă, strict specifică a unităților monomerice din polimerii sintetizați.

Aici se desfășoară o acțiune direcțională. trăgând monomerii într-o anumită locație celule - în molecule care servesc drept matrice în care are loc reacția. Dacă astfel de reacții ar avea loc ca urmare a ciocnirilor aleatorii ale moleculelor, ele ar proceda infinit lent. Sinteza moleculelor complexe pe baza principiului șablonului se realizează rapid și precis. Rolul matricei macromoleculele acizilor nucleici joacă în reacțiile matriceale ADN sau ARN .

Molecule monomerice din care se sintetizează polimerul - nucleotide sau aminoacizi - în conformitate cu principiul complementarității, sunt localizate și fixate pe matrice într-o ordine strict definită, specificată.

Apoi se întâmplă „reticulare” unităților monomerice într-un lanț polimeric, iar polimerul finit este evacuat din matrice.

După care matricea este gata la asamblarea unei noi molecule de polimer. Este clar că, la fel cum pe o matriță dată poate fi turnată doar o monedă sau o literă, la fel pe o anumită moleculă matrice poate fi „asamblat” un singur polimer.

Tipul de reacție matriceală- o caracteristică specifică a chimiei sistemelor vii. Ele sunt baza proprietății fundamentale a tuturor ființelor vii - capacitatea sa de a reproduce propriul fel.

Reacții de sinteză șablon

1. Replicarea ADN-ului - replicare (din latină replicatio - reînnoire) - procesul de sinteză a unei molecule fiice de acid dezoxiribonucleic pe matricea 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, numite replisome . Materialul pentru sinteză este nucleotidele libere prezente în citoplasma celulelor. Semnificația biologică a replicării constă în transferul precis al informațiilor ereditare de la molecula mamă la moleculele fiice, care are loc în mod normal în timpul diviziunii celulelor somatice.

O moleculă de ADN este formată din două catene complementare. Aceste lanțuri sunt ținute împreună prin legături slabe de hidrogen care pot fi rupte de enzime. Molecula de ADN este capabilă de auto-duplicare (replicare), iar pe fiecare jumătate veche a moleculei este sintetizată o nouă jumătate.
În plus, o moleculă de ARNm poate fi sintetizată pe o moleculă de ADN, care apoi transferă informațiile primite de la ADN la locul de sinteză a proteinei.

Transferul de informații și sinteza proteinelor se desfășoară după un principiu de matrice, comparabil cu funcționarea unei prese de tipar într-o tipografie. Informațiile din ADN sunt copiate de mai multe ori. Dacă apar erori în timpul copierii, acestea vor fi repetate în toate copiile ulterioare.

Adevărat, unele erori la copierea informațiilor cu o moleculă de ADN pot fi corectate - procesul de eliminare a erorilor se numește reparaţie. Prima dintre reacțiile în procesul de transfer de informații este replicarea moleculei de ADN și sinteza de noi lanțuri de ADN.

2. Transcriere (din latină transcriptio - rescriere) - procesul de sinteză a ARN folosind ca șablon ADN-ul, care are loc în toate celulele vii. Cu alte cuvinte, este transferul de informații genetice de la ADN la ARN.

Transcripția este catalizată de enzima ARN polimeraza dependentă de ADN. ARN polimeraza se deplasează de-a lungul moleculei de ADN în direcția 3" → 5". Transcrierea constă din etape iniţierea, alungirea şi terminarea . Unitatea de transcriere este un operon, un fragment al unei molecule de ADN format din promotor, parte transcrisă și terminator . ARNm constă dintr-un singur lanț și este sintetizat pe ADN în conformitate cu regula complementarității, cu participarea unei enzime care activează începutul și sfârșitul sintezei moleculei de ARNm.

Molecula de ARNm finită intră în citoplasmă pe ribozomi, unde are loc sinteza lanțurilor polipeptidice.

3. Difuzare (din lat. traducere- transfer, mișcare) - procesul de sinteză a proteinelor din aminoacizi pe o matrice de informații (mesager) ARN (ARNm, ARNm), realizat de ribozom. Cu alte cuvinte, acesta este procesul de traducere a informațiilor conținute în secvența de nucleotide ale ARNm în secvența de aminoacizi din polipeptidă.

4. Transcriere inversă este procesul de formare a ADN-ului dublu catenar pe baza informațiilor din ARN monocatenar. Acest proces se numește transcripție inversă, deoarece transferul de informații genetice are loc în direcția „inversă” față de transcripție. Ideea transcripției inverse a fost inițial foarte nepopulară, deoarece a contrazis dogma centrală a biologiei moleculare, care presupunea că ADN-ul este transcris în ARN și apoi tradus în proteine.

Cu toate acestea, în 1970, Temin și Baltimore au descoperit în mod independent o enzimă numită revers transcriptază (revertază) , iar posibilitatea transcrierii inverse a fost în sfârșit confirmată. În 1975, Temin și Baltimore au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină. Unii virusuri (cum ar fi virusul imunodeficienței umane, care provoacă infecția cu HIV) au capacitatea de a transcrie ARN-ul în ADN. HIV are un genom ARN care este integrat în ADN. Ca rezultat, ADN-ul virusului poate fi combinat cu genomul celulei gazdă. Se numește principala enzimă responsabilă de sinteza ADN-ului din ARN inversare. Una dintre funcțiile reversease este de a crea ADN complementar (ADNc) din genomul viral. Enzima asociată ribonucleaza scindează ARN-ul, iar reversease sintetizează ADNc din dubla helix ADN. ADNc este integrat în genomul celulei gazdă prin integrază. Rezultatul este sinteza proteinelor virale de către celula gazdă, care formează noi viruși. În cazul HIV, este programată și apoptoza (moartea celulară) a limfocitelor T. În alte cazuri, celula poate rămâne un distribuitor de viruși.

Secvența reacțiilor matricei în timpul biosintezei proteinelor poate fi reprezentată sub forma unei diagrame.

Astfel, biosinteza proteinelor- acesta este unul dintre tipurile de schimb plastic, în timpul căruia informațiile ereditare codificate în genele ADN sunt implementate într-o secvență specifică de aminoacizi din moleculele proteice.

Moleculele de proteine ​​sunt în esență lanțuri polipeptidice format din aminoacizi individuali. Dar aminoacizii nu sunt suficient de activi pentru a se combina unul cu celălalt pe cont propriu. Prin urmare, înainte ca acestea să se combine între ele și să formeze o moleculă proteică, aminoacizii trebuie activa . Această activare are loc sub acțiunea unor enzime speciale.

Ca urmare a activării, aminoacidul devine mai labil și, sub acțiunea aceleiași enzime, se leagă de t- ARN. Fiecare aminoacid corespunde unui t- strict specific ARN, care își găsește aminoacidul și transferuri acesta în ribozom.

In consecinta, diverse aminoacizi activați combinați cu proprii lor T- ARN. Ribozomul este ca transportor pentru a asambla un lanț proteic din diverși aminoacizi furnizați acestuia.

Simultan cu t-ARN, pe care „stă” propriul său aminoacid, „ semnal„din ADN-ul care este conținut în nucleu. În conformitate cu acest semnal, una sau alta proteină este sintetizată în ribozom.

Influența direcțională a ADN-ului asupra sintezei proteinelor nu se realizează direct, ci cu ajutorul unui intermediar special - matrice sau ARN mesager (m-ARN sau ARNm), care sintetizat în nucleu e sub influența ADN-ului, deci compoziția sa reflectă compoziția ADN-ului. Molecula de ARN este ca o turnare a formei de ADN. ARNm-ul sintetizat intră în ribozom și, așa cum ar fi, îl transferă în această structură plan- in ce ordine trebuie combinati intre ei aminoacizii activati ​​care intra in ribozom pentru a putea fi sintetizata o proteina specifica? Altfel, informația genetică codificată în ADN este transferată la ARNm și apoi la proteine.

Molecula de ARNm intră în ribozom și ochiuri ei. Se determină acel segment al acestuia care se află în prezent în ribozom codon (triplet), interacționează într-o manieră complet specifică cu cele care îi sunt similare structural triplet (anticodon)în ARN de transfer, care a adus aminoacidul în ribozom.

ARN de transfer cu aminoacidul său se potrivește cu un codon specific al ARNm și conectează cu el; la următoarea secțiune vecină de ARNm se adaugă un alt ARNt cu un aminoacid diferitși așa mai departe până când se citește întregul lanț de i-ARN, până când toți aminoacizii sunt redusi în ordinea potrivită, formând o moleculă proteică. Și ARNt, care a livrat aminoacidul într-o anumită parte a lanțului polipeptidic, eliberat de aminoacidul săuși iese din ribozom.

Apoi, din nou în citoplasmă, aminoacidul dorit se poate alătura acestuia și din nou îl poate transfera în ribozom. În procesul de sinteză a proteinelor, nu unul, ci mai mulți ribozomi - poliribozomi - sunt implicați simultan.

Principalele etape ale transferului de informații genetice:

1. Sinteza pe ADN ca șablon pentru ARNm (transcripție)
2. Sinteza unui lanț polipeptidic în ribozomi conform programului conținut în ARNm (traducere) .

Etapele sunt universale pentru toate ființele vii, dar relațiile temporale și spațiale ale acestor procese diferă în pro- și eucariote.

U procariotă transcripția și traducerea pot avea loc simultan deoarece ADN-ul este localizat în citoplasmă. U eucariote transcripția și translația sunt strict separate în spațiu și timp: în nucleu are loc sinteza diferitelor ARN-uri, după care moleculele de ARN trebuie să părăsească nucleul trecând prin membrana nucleară. ARN-urile sunt apoi transportate în citoplasmă la locul sintezei proteinelor.

Anterior, am subliniat că nucleotidele au o caracteristică importantă pentru formarea vieții pe Pământ - în prezența unui lanț polinucleotid într-o soluție, procesul de formare a unui al doilea lanț (paralel) are loc spontan pe baza conexiunii complementare a nucleotidelor înrudite. . Același număr de nucleotide în ambele lanțuri și afinitatea lor chimică sunt o condiție indispensabilă pentru implementarea acestui tip de reacție. Cu toate acestea, în timpul sintezei proteinelor, când informațiile din ARNm sunt implementate în structura proteinei, nu se poate vorbi despre respectarea principiului complementarității. Acest lucru se datorează faptului că în ARNm și în proteina sintetizată nu numai numărul de monomeri este diferit, ci și, ceea ce este deosebit de important, nu există nicio asemănare structurală între ei (nucleotide pe de o parte, aminoacizi pe de altă parte. ). Este clar că în acest caz este nevoie de a crea un nou principiu pentru traducerea cu precizie a informațiilor dintr-o polinucleotidă în structura unei polipeptide. În evoluție, un astfel de principiu a fost creat și baza lui a fost codul genetic.

Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN, formând codoni corespunzători aminoacizilor dintr-o proteină.

Codul genetic are mai multe proprietăți.

Tripletate.

Degenerare sau redundanță.

Neambiguitate.

Polaritate.

Nesuprapunere.

Compactitate.

Versatilitate.

De remarcat că unii autori propun și alte proprietăți ale codului legate de caracteristicile chimice ale nucleotidelor incluse în cod sau de frecvența de apariție a aminoacizilor individuali în proteinele corpului etc. Cu toate acestea, aceste proprietăți decurg din cele enumerate mai sus, așa că le vom lua în considerare acolo.

O. Tripletate. Codul genetic, ca multe sisteme organizate complex, are cea mai mică unitate structurală și cea mai mică unitate funcțională. Un triplet este cea mai mică unitate structurală a codului genetic. Este format din trei nucleotide. Un codon este cea mai mică unitate funcțională a codului genetic. De obicei, tripleții de ARNm sunt numiți codoni. În codul genetic, un codon îndeplinește mai multe funcții. În primul rând, funcția sa principală este aceea de a codifica un singur aminoacid. În al doilea rând, codonul poate să nu codifice pentru un aminoacid, dar în acest caz îndeplinește o altă funcție (vezi mai jos). După cum se poate vedea din definiție, un triplet este un concept care caracterizează elementar unitate structurală cod genetic (trei nucleotide). Codon – caracterizează unitate semantică elementară genom - trei nucleotide determină atașarea unui aminoacid la lanțul polipeptidic.

Unitatea structurală elementară a fost mai întâi descifrată teoretic, iar apoi existența ei a fost confirmată experimental. Într-adevăr, 20 de aminoacizi nu pot fi codificați cu una sau două nucleotide deoarece Există doar 4 dintre acestea din urmă Trei din patru nucleotide dau 4 3 = 64 de variante, ceea ce acoperă mai mult decât numărul de aminoacizi disponibili în organismele vii (vezi Tabelul 1).

Cele 64 de combinații de nucleotide prezentate în tabel au două caracteristici. În primul rând, dintre cele 64 de variante triplete, doar 61 sunt codoni și codifică orice aminoacid, ele sunt numite codoni de sens. Trei tripleți nu codifică

Tabelul 1.

Codoni ARN mesager și aminoacizi corespunzători

aminoacizii a sunt semnale de oprire care indică sfârșitul translației. Există trei astfel de tripleți - UAA, UAG, UGA, sunt numiți și „fără sens” (codoni aiurea). Ca rezultat al unei mutații, care este asociată cu înlocuirea unei nucleotide într-un triplet cu altul, un codon fără sens poate apărea dintr-un codon sens. Acest tip de mutație se numește mutație aiurea. Dacă un astfel de semnal de oprire se formează în interiorul genei (în partea sa de informații), atunci în timpul sintezei proteinelor în acest loc, procesul va fi întrerupt constant - va fi sintetizată doar prima parte a proteinei (înainte de semnalul de oprire). O persoană cu această patologie va experimenta o lipsă de proteine ​​și va experimenta simptome asociate cu această deficiență. De exemplu, acest tip de mutație a fost identificat în gena care codifică lanțul beta al hemoglobinei. Se sintetizează un lanț scurt de hemoglobină inactiv, care este distrus rapid. Ca rezultat, se formează o moleculă de hemoglobină lipsită de lanț beta. Este clar că este puțin probabil ca o astfel de moleculă să-și îndeplinească pe deplin sarcinile. Apare o boală gravă, care se dezvoltă ca anemie hemolitică (talasemie beta-zero, din cuvântul grecesc „Thalas” - Marea Mediterană, unde a fost descoperită prima dată această boală).

Mecanismul de acțiune al codonilor stop diferă de mecanismul de acțiune al codonilor de sens. Acest lucru rezultă din faptul că pentru toți codonii care codifică aminoacizi, s-au găsit ARNt-uri corespunzătoare. Nu s-au găsit ARNt pentru codoni nonsens. În consecință, ARNt nu ia parte la procesul de oprire a sintezei proteinelor.

CodonAUG (în bacterii uneori GUG) nu numai că codifică aminoacizii metionină și valină, dar sunt șiinițiator de difuzare .

b. Degenerare sau redundanță.

61 din cei 64 de tripleți codifică 20 de aminoacizi. Acest exces de trei ori a numărului de tripleți față de numărul de aminoacizi sugerează că pot fi utilizate două opțiuni de codare în transferul de informații. În primul rând, nu toți cei 64 de codoni pot fi implicați în codificarea a 20 de aminoacizi, dar numai 20 și, în al doilea rând, aminoacizii pot fi codificați de mai mulți codoni. Cercetările au arătat că natura a folosit această ultimă opțiune.

Preferința lui este evidentă. Dacă din 64 de tripleți variante doar 20 ar fi implicați în codificarea aminoacizilor, atunci 44 de tripleți (din 64) ar rămâne necodificatori, adică. fără sens (codoni aiurea). Anterior, am subliniat cât de periculos este pentru viața unei celule să transforme un triplet de codare ca urmare a unei mutații într-un codon fără sens - acest lucru perturbă semnificativ funcționarea normală a ARN polimerazei, ducând în cele din urmă la dezvoltarea bolilor. În prezent, trei codoni din genomul nostru sunt o prostie, dar acum imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă numărul de codoni nonsens ar crește de aproximativ 15 ori. Este clar că într-o astfel de situație tranziția codonilor normali la codoni nonsens va fi nemăsurat mai mare.

Un cod în care un aminoacid este codificat de mai multe triplete se numește degenerat sau redundant. Aproape fiecare aminoacid are mai mulți codoni. Astfel, aminoacidul leucina poate fi codificat de șase tripleți - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valina este codificată de patru tripleți, fenilalanina de două și numai triptofan și metionină codificat de un codon. Proprietatea care este asociată cu înregistrarea aceleiași informații cu simboluri diferite este numită degenerare.

Numărul de codoni desemnați pentru un aminoacid se corelează bine cu frecvența de apariție a aminoacidului în proteine.

Și cel mai probabil acest lucru nu este întâmplător. Cu cât frecvența de apariție a unui aminoacid într-o proteină este mai mare, cu atât codonul acestui aminoacid este mai des reprezentat în genom, cu atât este mai mare probabilitatea de deteriorare a acestuia de către factorii mutageni. Prin urmare, este clar că un codon mutant are o șansă mai mare de a codifica același aminoacid dacă este foarte degenerat. Din această perspectivă, degenerarea codului genetic este un mecanism care protejează genomul uman de deteriorare.

Trebuie remarcat faptul că termenul de degenerare este folosit în genetica moleculară într-un alt sens. Astfel, cea mai mare parte a informațiilor dintr-un codon este conținută în primele două nucleotide, baza din a treia poziție a codonului se dovedește a fi de puțină importanță. Acest fenomen se numește „degenerarea bazei a treia”. Ultima caracteristică minimizează efectul mutațiilor. De exemplu, se știe că funcția principală a globulelor roșii este de a transporta oxigenul de la plămâni la țesuturi și dioxidul de carbon de la țesuturi la plămâni. Această funcție este îndeplinită de pigmentul respirator - hemoglobina, care umple întreaga citoplasmă a eritrocitei. Este format dintr-o parte proteică - globină, care este codificată de gena corespunzătoare. Pe lângă proteine, molecula de hemoglobină conține hem, care conține fier. Mutațiile genelor globinei duc la apariția diferitelor variante de hemoglobine. Cel mai adesea, mutațiile sunt asociate cuînlocuirea unei nucleotide cu alta și apariția unui nou codon în genă 400 , care poate codifica un nou aminoacid în lanțul polipeptidic al hemoglobinei. Într-un triplet, ca urmare a mutației, orice nucleotidă poate fi înlocuită - prima, a doua sau a treia. Sunt cunoscute câteva sute de mutații care afectează integritatea genelor globinei. Aproape 100 înlocuirile duc la instabilitatea hemoglobinei și diferite tipuri de boli de la ușoare până la foarte severe. 300 (aproximativ 64%) mutații de substituție nu afectează funcția hemoglobinei și nu duc la patologie. Unul dintre motivele pentru aceasta este „degenerarea bazei a treia” menționată mai sus, când o înlocuire a celei de-a treia nucleotide într-un triplet care codifică serină, leucină, prolină, arginină și alți alți aminoacizi duce la apariția unui codon sinonim. care codifică același aminoacid. O astfel de mutație nu se va manifesta fenotipic. În schimb, orice înlocuire a primei sau celei de-a doua nucleotide într-un triplet în 100% din cazuri duce la apariția unei noi variante de hemoglobină. Dar chiar și în acest caz, este posibil să nu existe tulburări fenotipice severe. Motivul pentru aceasta este înlocuirea unui aminoacid din hemoglobină cu altul similar cu primul în proprietăți fizico-chimice. De exemplu, dacă un aminoacid cu proprietăți hidrofile este înlocuit cu un alt aminoacid, dar cu aceleași proprietăți.

Hemoglobina este formată din grupul porfirinei de fier de hem (moleculele de oxigen și dioxid de carbon sunt atașate la acesta) și proteine ​​- globină. Hemoglobina adultă (HbA) conține două identice -lanturi si doua -lanţuri. Moleculă - lanțul conține 141 de resturi de aminoacizi, -lanț - 146, - Și -lanţurile diferă în multe resturi de aminoacizi. Secvența de aminoacizi a fiecărui lanț de globină este codificată de propria sa genă. Codificarea genelor - lanțul este situat în brațul scurt al cromozomului 16, -genă - în brațul scurt al cromozomului 11. Substituție în codificarea genei -lantul hemoglobinei din primul sau al doilea nucleotid duce aproape intotdeauna la aparitia de noi aminoacizi in proteina, perturbarea functiilor hemoglobinei si consecinte grave pentru pacient. De exemplu, înlocuirea „C” într-unul dintre tripleții CAU (histidină) cu „Y” va duce la apariția unui nou triplet UAU, care codifică un alt aminoacid - tirozină În mod fenotipic, aceasta se va manifesta într-o boală gravă.. A înlocuire similară în poziția 63 -lantul polipeptidei histidinei la tirozina va duce la destabilizarea hemoglobinei. Se dezvoltă boala methemoglobinemie. Înlocuirea, ca urmare a mutației, a acidului glutamic cu valină în poziția a 6-a -lantul este cauza celei mai severe boli - drepanemia. Să nu continuăm lista tristă. Să remarcăm doar că la înlocuirea primelor două nucleotide poate apărea un aminoacid cu proprietăți fizico-chimice asemănătoare celui precedent. Astfel, înlocuirea celei de-a doua nucleotide într-unul dintre tripleții care codifică acidul glutamic (GAA) în -lanțul cu „U” duce la apariția unui nou triplet (GUA), care codifică valina, iar înlocuirea primei nucleotide cu „A” formează tripletul AAA, care codifică aminoacidul lizină. Acidul glutamic și lizina sunt similare ca proprietăți fizico-chimice - ambele sunt hidrofile. Valina este un aminoacid hidrofob. Prin urmare, înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu valină hidrofobă modifică semnificativ proprietățile hemoglobinei, ceea ce duce în cele din urmă la dezvoltarea anemiei cu celule falciforme, în timp ce înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu lizină hidrofilă schimbă funcția hemoglobinei într-o măsură mai mică - pacienții dezvoltă o formă ușoară. de anemie. Ca urmare a înlocuirii celei de-a treia baze, noul triplet poate codifica aceiași aminoacizi ca și precedentul. De exemplu, dacă în tripletul CAC uracilul a fost înlocuit cu citozină și a apărut un triplet CAC, atunci practic nu vor fi detectate modificări fenotipice la om. Acest lucru este de înțeles, pentru că ambele triplete codifică același aminoacid – histidina.

În concluzie, este oportun să subliniem că degenerarea codului genetic și degenerarea bazei a treia din punct de vedere biologic general sunt mecanisme de protecție care sunt inerente evoluției în structura unică a ADN-ului și ARN-ului.

V. Neambiguitate.

Fiecare triplet (cu excepția prostiilor) codifică doar un aminoacid. Astfel, în direcția codon - aminoacid codul genetic este lipsit de ambiguitate, în direcția aminoacid - codon este ambiguu (degenerat).

Fără ambiguitate

Codonul aminoacidului

Degenera

Și în acest caz, necesitatea lipsei de ambiguitate în codul genetic este evidentă. Într-o altă opțiune, la traducerea aceluiași codon, în lanțul proteic ar fi inserați diferiți aminoacizi și, ca urmare, s-ar forma proteine ​​cu structuri primare diferite și funcții diferite. Metabolismul celular ar trece la modul de operare „o genă – mai multe polipeptide”. Este clar că într-o astfel de situație funcția de reglare a genelor s-ar pierde complet.

g. Polaritate

Citirea informațiilor din ADN și ARNm are loc doar într-o singură direcție. Polaritatea este importantă pentru definirea structurilor de ordin superior (secundar, terțiar etc.). Mai devreme am vorbit despre modul în care structurile de ordin inferior determină structurile de ordin superior. Structura terțiară și structurile de ordin superior în proteine ​​se formează de îndată ce lanțul de ARN sintetizat părăsește molecula de ADN sau lanțul polipeptidic părăsește ribozomul. În timp ce capătul liber al unui ARN sau polipeptidă capătă o structură terțiară, celălalt capăt al lanțului continuă să fie sintetizat pe ADN (dacă ARN-ul este transcris) sau pe un ribozom (dacă este transcris o polipeptidă).

Prin urmare, procesul unidirecțional de citire a informațiilor (în timpul sintezei ARN-ului și proteinei) este esențial nu numai pentru determinarea secvenței nucleotidelor sau aminoacizilor din substanța sintetizată, ci și pentru determinarea strictă a secundare, terțiare etc. structurilor.

d. Nesuprapunere.

Codul poate fi suprapus sau fără suprapunere. Majoritatea organismelor au un cod care nu se suprapune. Codul care se suprapune se găsește în unele fagi.

Esența unui cod care nu se suprapun este că o nucleotidă a unui codon nu poate fi simultan o nucleotidă a altui codon. Dacă codul s-ar suprapune, atunci secvența de șapte nucleotide (GCUGCUG) ar putea codifica nu doi aminoacizi (alanina-alanina) (Fig. 33, A) ca în cazul unui cod care nu se suprapun, ci trei (dacă există o nucleotidă în comun) (Fig. 33, B) sau cinci (dacă două nucleotide sunt comune) (vezi Fig. 33, C). În ultimele două cazuri, o mutație a oricărei nucleotide ar duce la o încălcare a secvenței de doi, trei etc. aminoacizi.

Cu toate acestea, s-a stabilit că o mutație a unei nucleotide perturbă întotdeauna includerea unui aminoacid într-o polipeptidă. Acesta este un argument semnificativ că codul nu se suprapune.

Să explicăm acest lucru în Figura 34. Liniile aldine arată tripleți care codifică aminoacizi în cazul codului care nu se suprapun și se suprapune. Experimentele au arătat în mod clar că codul genetic nu se suprapune. Fără a intra în detalii ale experimentului, observăm că dacă înlocuiți a treia nucleotidă în secvența de nucleotide (vezi Fig. 34)U (marcat cu un asterisc) la altceva:

1. Cu un cod care nu se suprapune, proteina controlată de această secvență ar avea o substituție a unui (prim) aminoacid (marcat cu asteriscuri).

2. Cu un cod suprapus în opțiunea A, ar avea loc o substituție în doi (primul și al doilea) aminoacizi (marcați cu asteriscuri). În cadrul opțiunii B, înlocuirea ar afecta trei aminoacizi (marcați cu asteriscuri).

Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că atunci când o nucleotidă din ADN este întreruptă, întreruperea proteinei afectează întotdeauna doar un aminoacid, ceea ce este tipic pentru un cod care nu se suprapune.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

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

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

A B C

Cod care nu se suprapune Cod care nu se suprapune

Orez. 34. O diagramă care explică prezența unui cod care nu se suprapune în genom (explicație în text).

Nesuprapunerea codului genetic este asociată cu o altă proprietate - citirea informațiilor începe dintr-un anumit punct - semnalul de inițiere. Un astfel de semnal de inițiere în ARNm este codonul care codifică metionina AUG.

Trebuie remarcat faptul că o persoană are încă un număr mic de gene care se abat de la regula generală și se suprapun.

e. Compactitate.

Nu există semne de punctuație între codoni. Cu alte cuvinte, tripleții nu sunt separați unul de celălalt, de exemplu, printr-o singură nucleotidă fără sens. Absența „semnelor de punctuație” în codul genetic a fost dovedită în experimente.

şi. Versatilitate.

Codul este același pentru toate organismele care trăiesc pe Pământ. Dovezile directe ale universalității codului genetic au fost obținute prin compararea secvențelor de ADN cu secvențele de proteine ​​corespunzătoare. S-a dovedit că toți genomii bacterieni și eucarioți folosesc aceleași seturi de valori de cod. Sunt excepții, dar nu multe.

Primele excepții de la universalitatea codului genetic s-au găsit în mitocondriile unor specii de animale. Aceasta se referă la codonul terminator UGA, care se citește la fel cu codonul UGG, care codifică aminoacidul triptofan. Au fost găsite și alte abateri mai rare de la universalitate.

MZ. Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN care formează codoni,

corespunzător aminoacizilor din proteine.Codul genetic are mai multe proprietăți.

- un sistem unificat de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide. Codul genetic se bazează pe utilizarea unui alfabet format din doar patru litere-nucleotide, distinse prin baze azotate: A, T, G, C.

Principalele proprietăți ale codului genetic sunt următoarele:

1. Codul genetic este triplet. Un triplet (codon) este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid. Deoarece proteinele conțin 20 de aminoacizi, este evident că fiecare dintre ei nu poate fi codificat de o singură nucleotidă (din moment ce există doar patru tipuri de nucleotide în ADN, în acest caz rămân necodați 16 aminoacizi). De asemenea, două nucleotide nu sunt suficiente pentru a codifica aminoacizi, deoarece în acest caz pot fi codificați doar 16 aminoacizi. Aceasta înseamnă că cel mai mic număr de nucleotide care codifică un aminoacid este trei. (În acest caz, numărul posibilelor triplete de nucleotide este 4 3 = 64).

2. Redundanța (degenerarea) codului este o consecință a naturii sale triplete și înseamnă că un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete (deoarece există 20 de aminoacizi și 64 de tripleți). Excepțiile sunt metionina și triptofanul, care sunt codificate de un singur triplet. În plus, unii tripleți îndeplinesc funcții specifice. Deci, în molecula de ARNm, trei dintre ei UAA, UAG, UGA sunt codoni de oprire, adică semnale de oprire care opresc sinteza lanțului polipeptidic. Tripletul corespunzător metioninei (AUG), situat la începutul lanțului ADN, nu codifică un aminoacid, ci îndeplinește funcția de inițiere (excitantă) a citirii.

3. Alături de redundanță, codul se caracterizează prin proprietatea neambiguității, ceea ce înseamnă că fiecărui codon îi corespunde un singur aminoacid specific.

4. Codul este coliniar, adică secvența de nucleotide dintr-o genă se potrivește exact cu secvența de aminoacizi dintr-o proteină.

5. Codul genetic nu se suprapune și este compact, adică nu conține „semne de punctuație”. Aceasta înseamnă că procesul de citire nu permite posibilitatea suprapunerii coloanelor (triplete), iar, începând de la un anumit codon, citirea continuă, triplet după triplet, până la semnalele de oprire (codoni de terminare). De exemplu, în ARNm următoarea secvență de baze azotate AUGGGUGTSUAUAUGUG va fi citită numai de astfel de tripleți: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG și nu AUG, UGG, GGU, GUG etc. sau AUG, GGU, UGC, CUU , etc. etc. sau într-un alt mod (de exemplu, codonul AUG, semnul de punctuație G, codonul UGC, semnul de punctuație U etc.).

6. Codul genetic este universal, adică genele nucleare ale tuturor organismelor codifică informații despre proteine ​​în același mod, indiferent de nivelul de organizare și poziția sistematică a acestor organisme.