Najpresnejšia definícia pojmu genetický kód. Degenerácia genetického kódu: všeobecné informácie

Genetický kód je spôsob kódovania sekvencie aminokyselín v molekule proteínu pomocou sekvencie nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny. Vlastnosti genetický kód vyplývajú z vlastností tohto kódovania.

Každá proteínová aminokyselina je spárovaná s tromi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi nukleovej kyseliny - trojčatá, alebo kodón. Každý nukleotid môže obsahovať jednu zo štyroch dusíkatých báz. V RNA je to tak adenín(A), uracil(U), guanín(G), cytozín(C). Rôznym kombinovaním dusíkatých báz (v tomto prípade nukleotidov, ktoré ich obsahujú) môžete získať mnoho rôznych tripletov: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC atď. Celkový počet možných kombinácií je 64, t.j. 4 3 .

Bielkoviny živých organizmov obsahujú asi 20 aminokyselín. Ak by príroda „plánovala“ zakódovať každú aminokyselinu nie tromi, ale dvoma nukleotidmi, potom by rôznorodosť takýchto párov nestačila, keďže by ich bolo len 16, t.j. 4 2.

teda hlavnou vlastnosťou genetického kódu je jeho triplicita. Každá aminokyselina je kódovaná trojicou nukleotidov.

Keďže existuje podstatne viac možných odlišných tripletov ako aminokyselín používaných v biologických molekulách, v živej prírode sa realizovala nasledujúca vlastnosť: nadbytok genetický kód. Mnoho aminokyselín začalo byť kódovaných nie jedným kodónom, ale niekoľkými. Napríklad aminokyselina glycín je kódovaná štyrmi rôznymi kodónmi: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundancia je tiež tzv degenerácia.

Zhoda medzi aminokyselinami a kodónmi je uvedená v tabuľkách. Napríklad tieto:

Vo vzťahu k nukleotidom má genetický kód nasledujúcu vlastnosť: jednoznačnosť(alebo špecifickosť): každý kodón zodpovedá len jednej aminokyseline. Napríklad kodón GGU môže kódovať iba glycín a žiadnu inú aminokyselinu.

Opäť. Redundancia znamená, že niekoľko tripletov môže kódovať rovnakú aminokyselinu. Špecifickosť – každý špecifický kodón môže kódovať iba jednu aminokyselinu.

V genetickom kóde nie sú žiadne špeciálne interpunkčné znamienka (okrem stop kodónov, ktoré označujú koniec syntézy polypeptidu). Funkciu interpunkčných znamienok plnia samotné trojičky – koniec jednej znamená, že ďalšia začne ďalšia. To znamená nasledujúce dve vlastnosti genetického kódu: kontinuita A neprekrývajúce sa. Kontinuita sa vzťahuje na čítanie trojíc bezprostredne po sebe. Neprekrývanie znamená, že každý nukleotid môže byť súčasťou iba jedného tripletu. Takže prvý nukleotid nasledujúceho tripletu vždy nasleduje po treťom nukleotide predchádzajúceho tripletu. Kodón nemôže začínať druhým alebo tretím nukleotidom predchádzajúceho kodónu. Inými slovami, kód sa neprekrýva.

Genetický kód má vlastnosť všestrannosť. Je to rovnaké pre všetky organizmy na Zemi, čo naznačuje jednotu pôvodu života. V tomto existujú veľmi zriedkavé výnimky. Napríklad niektoré triplety v mitochondriách a chloroplastoch kódujú aminokyseliny iné, než sú ich obvyklé. To môže naznačovať, že na úsvite života existovali mierne odlišné variácie genetického kódu.

Napokon, genetický kód má odolnosť proti hluku, ktorá je dôsledkom jej vlastníctva ako nadbytočnosti. Bodové mutácie, ktoré sa niekedy vyskytujú v DNA, zvyčajne vedú k nahradeniu jednej dusíkatej bázy inou. Tým sa zmení triplet. Napríklad to bolo AAA, ale po mutácii sa z neho stalo AAG. Takéto zmeny však nie vždy vedú k zmene aminokyseliny v syntetizovanom polypeptide, pretože obidva triplety môžu v dôsledku redundantnej vlastnosti genetického kódu zodpovedať jednej aminokyseline. Vzhľadom na to, že mutácie sú často škodlivé, vlastnosť odolnosti voči hluku je užitočná.

GENETICKÝ KÓD(grécky, genetikos týkajúci sa pôvodu; syn.: kód, biologický kód, kód aminokyseliny, kód proteínu, kód nukleová kyselina ) - záznamový systém dedičná informácia v molekulách nukleových kyselín živočíchov, rastlín, baktérií a vírusov striedaním sekvencií nukleotidov.

Genetická informácia (obr.) z bunky do bunky, z generácie na generáciu, s výnimkou vírusov obsahujúcich RNA, sa prenáša reduplikáciou molekúl DNA (pozri Replikácia). Implementácia DNA dedičnej informácie počas života bunky sa uskutočňuje prostredníctvom 3 typov RNA: informačnej (mRNA alebo mRNA), ribozomálnej (rRNA) a transportnej (tRNA), ktoré sú syntetizované pomocou enzýmu RNA polymerázy na DNA ako matice. V tomto prípade sekvencia nukleotidov v molekule DNA jednoznačne určuje sekvenciu nukleotidov vo všetkých troch typoch RNA (pozri Transkripcia). Informáciu génu (pozri), kódujúceho molekulu proteínu, prenáša iba mRNA. Konečným produktom implementácie dedičnej informácie je syntéza proteínových molekúl, ktorých špecifickosť je určená sekvenciou aminokyselín v nich obsiahnutých (pozri preklad).

Keďže DNA alebo RNA obsahuje iba 4 rôzne dusíkaté bázy [v DNA - adenín (A), tymín (T), guanín (G), cytozín (C); v RNA - adenín (A), uracil (U), cytozín (C), guanín (G)], ktorých sekvencia určuje poradie 20 aminokyselín v bielkovine, vzniká problém GK, teda problém transl. 4-písmenovú abecedu nukleových kyselín na 20-písmenovú abecedu polypeptidov.

Prvýkrát myšlienku matricovej syntézy proteínových molekúl so správnou predpoveďou vlastností hypotetickej matrice sformuloval N. K. Koltsov v roku 1928. V roku 1944 O. Avery a kol prenos dedičných charakteristík počas transformácie u pneumokokov. V roku 1948 E. Chargaff ukázal, že vo všetkých molekulách DNA existuje kvantitatívna rovnosť zodpovedajúcich nukleotidov (A-T, G-C). V roku 1953 F. Crick, J. Watson a M. H. F. Wilkins na základe tohto pravidla a údajov o röntgenovej difrakcii (pozri) dospeli k záveru, že molekuly DNA sú dvojitá špirála pozostávajúca z dvoch polynukleotidových vlákien spojených navzájom vodíkom. dlhopisov. Navyše iba T môže byť proti A jedného reťazca v druhom a iba C môže byť proti G. Táto komplementarita vedie k tomu, že sekvencia nukleotidov jedného reťazca jednoznačne určuje sekvenciu druhého reťazca. Druhý významný záver, ktorý vyplýva z tohto modelu, je, že molekula DNA je schopná samoreprodukcie.

V roku 1954 G. Gamow sformuloval problém geometrických rovníc vo svojom moderná forma. V roku 1957 F. Crick vyjadril hypotézu o adaptore, ktorá naznačuje, že aminokyseliny interagujú s nukleovou kyselinou nie priamo, ale prostredníctvom sprostredkovateľov (teraz známych ako tRNA). V nasledujúcich rokoch po tomto, všetky základné väzby všeobecná schéma prenos genetickej informácie, pôvodne hypotetický, bol potvrdený experimentálne. V roku 1957 boli objavené mRNA [A. S. Spirin, A. N. Belozersky a kol.; Folkin a Astrachan (E. Volkin, L. Astrachan)] a tRNA [Hoagland (M.V. Hoagland)]; v roku 1960 bola DNA syntetizovaná mimo bunky pomocou existujúcich makromolekúl DNA ako matrice (A. Kornberg) a bola objavená DNA-dependentná syntéza RNA [S. V roku 1961 bol vytvorený bezbunkový systém, v ktorom boli syntetizované látky podobné proteínom v prítomnosti prirodzenej RNA alebo syntetických polyribonukleotidov [M. Nirenberg a Matthaei (J. H. Matthaei)]. Problém poznania G. k všeobecné vlastnosti kód a jeho skutočné dekódovanie, teda zistenie, ktoré kombinácie nukleotidov (kodónov) kódujú určité aminokyseliny.

Všeobecné vlastnosti kódu boli objasnené nezávisle od jeho dekódovania a hlavne pred ním analýzou molekulárnych vzorcov tvorby mutácií (F. Krick a kol., 1961; N. V. Luchnik, 1963). Zredukujú sa na nasledovné:

1. Kód je univerzálny, teda identický, aspoň v zásade, pre všetky živé bytosti.

2. Kód je triplet, to znamená, že každá aminokyselina je kódovaná tripletom nukleotidov.

3. Kód sa neprekrýva, t.j. daný nukleotid nemôže byť súčasťou viac ako jedného kodónu.

4. Kód je degenerovaný, t.j. jedna aminokyselina môže byť kódovaná niekoľkými tripletmi.

5. Informácie o primárnej štruktúre proteínu sa čítajú z mRNA postupne, začínajúc od pevného bodu.

6. Väčšina možných tripletov má „zmysel“, to znamená, že kódujú aminokyseliny.

7. Z troch „písmen“ kodónu iba dve (obligátne) majú prevládajúci význam, zatiaľ čo tretie (voliteľné) nesie podstatne menej informácií.

Priame dekódovanie kódu by pozostávalo z porovnania nukleotidovej sekvencie v štruktúrnom géne (alebo na ňom syntetizovanej mRNA) s aminokyselinovou sekvenciou v zodpovedajúcom proteíne. Takáto cesta však zatiaľ nie je technicky možná. Boli použité ďalšie dva spôsoby: syntéza proteínov v bezbunkovom systéme s použitím umelých polyribonukleotidov známeho zloženia ako matrice a analýza molekulárnych vzorcov tvorby mutácií (pozri). Prvý priniesol pozitívne výsledky skôr a historicky zohral veľkú úlohu pri rozlúštení G. k.

V roku 1961 M. Nirenberg a Mattei použili ako matricu homopolymér - syntetickú kyselinu polyuridylovú (t. j. umelú RNA v zložení UUUU...) a získali polyfenylalanín. Z toho vyplýva, že fenylalanínový kodón pozostáva z niekoľkých U, t.j. v prípade tripletového kódu sa dešifruje ako UUU. Neskôr sa spolu s homopolymérmi začali používať polyribonukleotidy pozostávajúce z rôznych nukleotidov. Súčasne bolo známe iba zloženie polymérov, umiestnenie nukleotidov v nich bolo štatistické, preto analýza výsledkov bola štatistická a poskytovala nepriame závery. Pomerne rýchlo sa podarilo nájsť aspoň jeden triplet pre všetkých 20 aminokyselín. Ukázalo sa, že prítomnosť organických rozpúšťadiel, zmeny pH alebo teploty, niektoré katióny a najmä antibiotiká spôsobujú, že kód je nejednoznačný: rovnaké kodóny začnú stimulovať inklúziu iných aminokyselín, v niektorých prípadoch jeden kodón začal kódovať až štyri rôzne aminokyseliny. Streptomycín ovplyvnil čítanie informácií v bezbunkových systémoch aj in vivo a bol účinný len na bakteriálne kmene citlivé na streptomycín. V kmeňoch závislých od streptomycínu „opravil“ čítanie z kodónov, ktoré sa zmenili v dôsledku mutácie. Podobné výsledky dali dôvod pochybovať o správnosti G. dekódovania pomocou bezbunkového systému; bolo potrebné potvrdenie, predovšetkým údajmi in vivo.

Hlavné údaje o G. in vivo sa získali analýzou zloženia aminokyselín proteínov v organizmoch ošetrených mutagénmi (pozri) so známym mechanizmom účinku, napríklad dusíkom, ktorý spôsobuje nahradenie C za U a A za in molekula DNA G. Užitočná informácia poskytujú aj analýzu mutácií spôsobených nešpecifickými mutagénmi, porovnanie rozdielov v primárnej štruktúre príbuzných proteínov v odlišné typy, korelácia medzi zložením DNA a proteínov atď.

Dešifrovanie G. to na základe údajov in vivo a in vitro poskytlo zodpovedajúce výsledky. Neskôr boli vyvinuté tri ďalšie metódy na dešifrovanie kódu v bezbunkových systémoch: väzba aminoacyl-tRNA (t. j. tRNA s pripojenou aktivovanou aminokyselinou) s trinukleotidmi známeho zloženia (M. Nirenberg et al., 1965), väzba aminoacyl-tRNA s polynukleotidmi počínajúc určitým tripletom (Mattei a kol., 1966) a použitie polymérov ako mRNA, v ktorých je známe nielen zloženie, ale aj poradie nukleotidov (X. Korana a kol. , 1965). Všetky tri metódy sa navzájom dopĺňajú a výsledky sú v súlade s údajmi získanými v experimentoch in vivo.

V 70. rokoch 20. storočie sa objavili metódy na obzvlášť spoľahlivé overenie výsledkov dekódovania G. k. Je známe, že mutácie, ktoré sa vyskytujú pod vplyvom proflavínu, pozostávajú zo straty alebo inzercie jednotlivých nukleotidov, čo vedie k posunu v čítacom rámci. Vo fágu T4 spôsobil proflavín množstvo mutácií, pri ktorých sa zmenilo zloženie lyzozýmu. Toto zloženie sa analyzovalo a porovnalo s tými kodónmi, ktoré by mali byť výsledkom posunu rámca. Výsledkom bola úplná zhoda. Okrem toho táto metóda umožnila stanoviť, ktoré triplety degenerovaného kódu kódujú každú z aminokyselín. V roku 1970 sa J. M. Adamsovi a jeho spolupracovníkom podarilo čiastočne dešifrovať G. c pomocou priamej metódy: vo fágu R17 sa určila sekvencia báz vo fragmente s dĺžkou 57 nukleotidov a porovnala sa s aminokyselinovou sekvenciou jeho obalového proteínu. . Výsledky boli úplne v súlade s výsledkami získanými menej priamymi metódami. Kód bol teda dešifrovaný úplne a správne.

Výsledky dekódovania sú zhrnuté v tabuľke. Označuje zloženie kodónov a RNA. Zloženie antikodónov tRNA je komplementárne ku kodónom mRNA, t.j. namiesto Y obsahujú A, namiesto A - U, namiesto C - G a namiesto G - C, a zodpovedá kodónom štruktúrneho génu (vlákno DNA z ktorého sa informácie čítajú) len s tým rozdielom, že uracil zaberá miesto tymínu. Zo 64 tripletov, ktoré môžu byť vytvorené kombináciou 4 nukleotidov, 61 má „zmysel“, t. j. kóduje aminokyseliny, a 3 sú „nezmyselné“ (bezvýznamné). Medzi zložením trojíc a ich významom existuje pomerne jasný vzťah, ktorý sa zistil pri analýze všeobecných vlastností kódu. V niektorých prípadoch sú triplety kódujúce špecifickú aminokyselinu (napríklad prolín, alanín) charakterizované skutočnosťou, že prvé dva nukleotidy (obligátne) sú rovnaké a tretí (voliteľný) môže byť čokoľvek. V iných prípadoch (pri kódovaní napr. asparagínu, glutamínu) majú rovnaký význam dva podobné triplety, v ktorých sa prvé dva nukleotidy zhodujú a na mieste tretieho je akýkoľvek purín alebo akýkoľvek pyrimidín.

Nezmyselné kodóny, z ktorých 2 majú špeciálne názvy zodpovedajúce označeniu fágových mutantov (UAA-okrová, UAG-jantárová, UGA-opálová), hoci nekódujú žiadne aminokyseliny, ale majú veľký význam pri čítaní informácie kódovaním konca polypeptidového reťazca.

Čítanie informácií prebieha v smere od 5 1 -> 3 1 - ku koncu nukleotidového reťazca (pozri Deoxyribonukleové kyseliny). V tomto prípade syntéza proteínov postupuje od aminokyseliny s voľnou aminoskupinou k aminokyseline s voľnou karboxylovou skupinou. Začiatok syntézy je kódovaný tripletmi AUG a GUG, ktoré v tomto prípade zahŕňajú špecifickú východiskovú aminoacyl-tRNA, konkrétne N-formylmetionyl-tRNA. Tieto isté triplety, keď sú lokalizované v reťazci, kódujú metionín a valín. Nejednoznačnosť odstraňuje fakt, že začiatku čítania predchádza nezmysel. Existuje dôkaz, že hranica medzi oblasťami mRNA kódujúcich rôzne proteíny pozostáva z viac ako dvoch tripletov a že sekundárna štruktúra RNA sa v týchto miestach mení; táto problematika je predmetom výskumu. Ak sa v štrukturálnom géne vyskytne nezmyselný kodón, potom sa zodpovedajúci proteín vytvorí iba po umiestnenie tohto kodónu.

Objav a rozlúštenie genetického kódu - vynikajúci úspech molekulárnej biológie - ovplyvnilo všetky biologické vedy, v niektorých prípadoch viedlo k vývoju špeciálnych veľkých sekcií (pozri Molekulárna genetika). Účinok G. objavu a súvisiaceho výskumu sa porovnáva s účinkom, ktorý mala Darwinova teória na biologické vedy.

Univerzálnosť genetiky je priamym dôkazom univerzálnosti základných molekulárnych mechanizmov života u všetkých predstaviteľov organického sveta. Medzitým veľké rozdiely vo funkciách genetického aparátu a jeho štruktúre pri prechode z prokaryotov na eukaryoty a z jednobunkových na mnohobunkové organizmy sú pravdepodobne spojené s molekulárnymi rozdielmi, ktorých štúdium je jednou z úloh budúcnosti. Keďže výskum G.K v posledných rokoch, významnosť získaných výsledkov pre praktické lekárstvo má len nepriamy charakter, čo nám umožňuje pochopiť podstatu chorôb, mechanizmus účinku patogénov a liečivých látok. Objav takých javov, ako je transformácia (pozri), transdukcia (pozri), potlačenie (pozri), však naznačuje zásadnú možnosť nápravy patologicky zmenenej dedičnej informácie alebo jej korekcie – tzv. genetické inžinierstvo (pozri).

Tabuľka. GENETICKÝ KÓD

* Kóduje koniec reťazca.

** Kóduje aj začiatok reťazca.

Bibliografia: Ichas M. Biologický kód, prekl. z angličtiny, M., 1971; Archer N.B. Biofyzika cytogenetických lézií a genetický kód, L., 1968; Molekulárna genetika, trans. z angličtiny, vyd. A. N. Belozersky, časť 1, M., 1964; Nukleové kyseliny, trans. z angličtiny, vyd. A. N. Belozersky, M., 1965; Watson J.D. Molekulárna biológia génu, trans. z angličtiny, M., 1967; Fyziologická genetika, vyd. M. E. Lobasheva S.G., Inge-Vechtomo-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v„E. Geissler, B., 1972; Genetický kód, Gold Spr. Harb. Symp. kvant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. Genetický kód, N. Y. a. o., 1967.

V metabolizme tela hlavna rola patrí medzi bielkoviny a nukleové kyseliny.
Proteínové látky tvoria základ všetkých životne dôležitých bunkových štruktúr, majú nezvyčajne vysokú reaktivitu a sú vybavené katalytickými funkciami.
Nukleové kyseliny sú súčasťou najdôležitejšieho orgánu bunky - jadra, ako aj cytoplazmy, ribozómov, mitochondrií atď. Nukleové kyseliny hrajú dôležitú, primárnu úlohu v dedičnosti, variabilite organizmu a pri syntéze bielkovín.

Plán syntéza proteín je uložený v bunkovom jadre a k priamej syntéze dochádza mimo jadra, preto je nevyhnutný donášková služba zakódované plánovať z jadra do miesta syntézy. Túto službu doručovania vykonávajú molekuly RNA.

Proces začína o jadro bunky: časť „rebríka“ DNA sa odvíja a otvára. Vďaka tomu tvoria písmená RNA väzby s otvorenými písmenami DNA jedného z reťazcov DNA. Enzým prenáša písmená RNA, aby ich spojil do reťazca. Takto sa písmená DNA „prepisujú“ na písmená RNA. Novovytvorený reťazec RNA sa oddelí a „rebrík“ DNA sa opäť skrúti. Proces čítania informácií z DNA a ich syntézy pomocou matrice RNA sa nazýva prepis , a syntetizovaná RNA sa nazýva messenger alebo mRNA .

Po ďalších úpravách je tento typ kódovanej mRNA pripravený. mRNA vychádza z jadra a ide na miesto syntézy proteínov, kde sa dešifrujú písmená mRNA. Každá sada troch písmen i-RNA tvorí „písmeno“, ktoré predstavuje jednu špecifickú aminokyselinu.

Iný typ RNA nájde túto aminokyselinu, zachytí ju pomocou enzýmu a dopraví ju na miesto syntézy bielkovín. Táto RNA sa nazýva transferová RNA alebo t-RNA. Keď sa správa mRNA číta a prekladá, reťazec aminokyselín rastie. Táto reťaz sa krúti a skladá do jedinečného tvaru, čím vytvára jeden typ proteínu. Dokonca aj proces skladania bielkovín je pozoruhodný: na výpočet všetkého je potrebný počítač možnosti poskladanie priemerne veľkého proteínu pozostávajúceho zo 100 aminokyselín by trvalo 1027 (!) rokov. A vytvorenie reťazca 20 aminokyselín v tele netrvá dlhšie ako jednu sekundu a tento proces prebieha nepretržite vo všetkých bunkách tela.

Gény, genetický kód a jeho vlastnosti.

Na Zemi žije asi 7 miliárd ľudí. Okrem 25-30 miliónov párov jednovaječných dvojčiat, geneticky všetci ľudia sú iní : každý je jedinečný, má jedinečné dedičné vlastnosti, charakterové vlastnosti, schopnosti a temperament.

Tieto rozdiely sú vysvetlené rozdiely v genotypoch- súbory génov organizmu; Každý jeden je jedinečný. Genetické vlastnosti konkrétneho organizmu sú stelesnené v bielkovinách - preto sa štruktúra proteínu jedného človeka líši, aj keď veľmi mierne, od proteínu iného človeka.

to neznamenáže žiadni dvaja ľudia nemajú úplne rovnaké bielkoviny. Proteíny, ktoré vykonávajú rovnaké funkcie, môžu byť rovnaké alebo sa môžu od seba líšiť len mierne jednou alebo dvoma aminokyselinami. ale neexistuje na Zemi ľudí (s výnimkou jednovaječných dvojčiat), ktorí by mali všetky svoje bielkoviny sú rovnaké .

Informácie o primárnej štruktúre bielkovín kódované ako sekvencia nukleotidov v časti molekuly DNA, gén – jednotka dedičnej informácie organizmu. Každá molekula DNA obsahuje veľa génov. Tvorí ho súhrn všetkých génov organizmu genotyp . teda

Gén je jednotka dedičnej informácie organizmu, ktorá zodpovedá samostatnému úseku DNA

Kódovanie dedičných informácií prebieha pomocou genetický kód , ktorý je univerzálny pre všetky organizmy a líši sa len striedaním nukleotidov, ktoré tvoria gény a kódujú proteíny konkrétnych organizmov.

Genetický kód pozostáva z tripletov (tripletov) nukleotidov DNA, spojených v rôznych sekvenciách (AAT, HCA, ACG, THC atď.), z ktorých každý kóduje špecifickú aminokyselinu (ktorá bude zabudovaná do polypeptidového reťazca).

Vlastne kód počíta sekvencia nukleotidov v molekule mRNA , pretože odstraňuje informácie z DNA (proces prepisy ) a premieňa ho na sekvenciu aminokyselín v molekulách syntetizovaných proteínov (proces vysielania ).
Zloženie mRNA zahŕňa nukleotidy A-C-G-U, ktorých triplety sú tzv kodóny : triplet na DNA CGT na i-RNA sa stane tripletom GCA a triplet DNA AAG sa stane tripletom UUC. presne tak mRNA kodóny genetický kód sa odráža v zázname.

teda genetický kód - jednotný systém zaznamenávania dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín vo forme sekvencie nukleotidov . Genetický kód je založený na použití abecedy pozostávajúcej iba zo štyroch písmen-nukleotidov, ktoré sa líšia dusíkatými bázami: A, T, G, C.

Základné vlastnosti genetického kódu:

1. Genetický kód trojčatá. Triplet (kodón) je sekvencia troch nukleotidov kódujúcich jednu aminokyselinu. Keďže proteíny obsahujú 20 aminokyselín, je zrejmé, že každá z nich nemôže byť kódovaná jedným nukleotidom ( Keďže v DNA sú len štyri typy nukleotidov, v tomto prípade zostáva nekódovaných 16 aminokyselín). Dva nukleotidy tiež nestačia na kódovanie aminokyselín, pretože v tomto prípade môže byť kódovaných iba 16 aminokyselín. znamená, najmenšie číslo Musia existovať aspoň tri nukleotidy kódujúce jednu aminokyselinu. V tomto prípade je počet možných nukleotidových tripletov 43 = 64.

2. Redundancia (degenerácia) Kód je dôsledkom jeho tripletovej povahy a znamená, že jedna aminokyselina môže byť kódovaná niekoľkými tripletmi (keďže existuje 20 aminokyselín a 64 tripletov), ​​s výnimkou metionínu a tryptofánu, ktoré sú kódované iba jedným tripletom. Niektoré triplety navyše vykonávajú špecifické funkcie: v molekule mRNA sú triplety UAA, UAG, UGA stop kodóny, t.j. zastaviť-signály, ktoré zastavujú syntézu polypeptidového reťazca. Triplet zodpovedajúci metionínu (AUG), nachádzajúci sa na začiatku reťazca DNA, nekóduje aminokyselinu, ale plní funkciu iniciačného (vzrušujúceho) čítania.

3. Jednoznačnosť kód - súčasne s redundanciou má kód vlastnosť jednoznačnosť : každý kodón sa len zhoduje jeden určitú aminokyselinu.

4. Kolinearita kód, t.j. nukleotidová sekvencia v géne presne tak zodpovedá poradiu aminokyselín v proteíne.

5. Genetický kód neprekrývajúce sa a kompaktné , teda neobsahuje „interpunkčné znamienka“. To znamená, že proces čítania nepripúšťa možnosť prekrývania stĺpcov (tripletov) a od určitého kodónu čítanie pokračuje nepretržite, triplet po triplete, až kým zastaviť- signály ( stop kodóny).

6. Genetický kód univerzálny , teda jadrové gény všetkých organizmov kódujú informácie o proteínoch rovnakým spôsobom, bez ohľadu na úroveň organizácie a systematické postavenie týchto organizmov.

Existovať tabuľky genetického kódu na dešifrovanie kodóny mRNA a konštrukcia reťazcov proteínových molekúl.

Reakcie syntézy matrice.

V živých systémoch sa vyskytujú reakcie neznáme v neživej prírode - reakcie syntézy matrice.

pojem "matica" v technológii označujú formu používanú na odlievanie mincí, medailí a typografických fontov: tvrdený kov presne reprodukuje všetky detaily formy používanej na odlievanie. Matricová syntéza pripomína odlievanie na matricu: nové molekuly sa syntetizujú presne v súlade s plánom stanoveným v štruktúre existujúcich molekúl.

Princíp matice spočíva v jadre najdôležitejšie syntetické reakcie bunky, ako je syntéza nukleových kyselín a proteínov. Tieto reakcie zabezpečujú presnú, prísne špecifickú sekvenciu monomérnych jednotiek v syntetizovaných polyméroch.

Prebieha tu smerová akcia. ťahanie monomérov na konkrétne miesto bunky – na molekuly, ktoré slúžia ako matrica, kde prebieha reakcia. Ak by takéto reakcie nastali v dôsledku náhodných zrážok molekúl, postupovali by nekonečne pomaly. Syntéza komplexných molekúl na princípe templátu sa vykonáva rýchlo a presne. Úloha matice makromolekuly nukleových kyselín hrajú v matricových reakciách DNA alebo RNA .

Monomérne molekuly z ktorých je polymér syntetizovaný - nukleotidy alebo aminokyseliny - v súlade s princípom komplementarity, sú umiestnené a fixované na matrici v presne definovanom, špecifikovanom poradí.

Potom sa to stane "zosieťovanie" monomérnych jednotiek do polymérneho reťazca a hotový polymér sa vypustí z matrice.

Potom matrica je pripravená na zostavenie novej molekuly polyméru. Je jasné, že tak ako na danú formu je možné odliať len jednu mincu alebo jedno písmeno, tak na danú molekulu matrice možno „poskladať“ iba jeden polymér.

Typ reakcie matice- špecifikum chémie živých sústav. Sú základom základnej vlastnosti všetkých živých vecí - ich schopnosti reprodukovať svoj vlastný druh.

Reakcie syntézy šablón

1. replikácia DNA - replikácia (z lat. replicatio - obnova) - proces syntézy dcérskej molekuly deoxyribonukleovej kyseliny na matrici materskej molekuly DNA. Pri následnom delení materskej bunky dostane každá dcérska bunka jednu kópiu molekuly DNA, ktorá je identická s DNA pôvodnej materskej bunky. Tento proces zabezpečuje presné odovzdávanie genetických informácií z generácie na generáciu. Replikáciu DNA uskutočňuje komplexný enzýmový komplex pozostávajúci z 15-20 rôznych proteínov, tzv replisome . Materiálom na syntézu sú voľné nukleotidy prítomné v cytoplazme buniek. Biologický význam replikácie spočíva v presnom prenose dedičnej informácie z materskej molekuly na dcérske molekuly, ku ktorému bežne dochádza pri delení somatických buniek.

Molekula DNA pozostáva z dvoch komplementárnych reťazcov. Tieto reťazce sú držané pohromade slabými vodíkovými väzbami, ktoré môžu byť rozbité enzýmami. Molekula DNA je schopná samoduplikácie (replikácie) a na každej starej polovici molekuly sa syntetizuje nová polovica.
Okrem toho môže byť molekula mRNA syntetizovaná na molekule DNA, ktorá potom prenáša informácie prijaté z DNA na miesto syntézy proteínov.

Prenos informácií a syntéza proteínov prebieha podľa matricového princípu, ktorý je porovnateľný s prevádzkou tlačiarenského lisu v tlačiarni. Informácie z DNA sa mnohokrát kopírujú. Ak sa pri kopírovaní vyskytnú chyby, budú sa opakovať vo všetkých nasledujúcich kópiách.

Pravda, niektoré chyby pri kopírovaní informácií molekulou DNA sa dajú opraviť – proces eliminácie chýb sa nazýva reparáciu. Prvou z reakcií v procese prenosu informácií je replikácia molekuly DNA a syntéza nových reťazcov DNA.

2. Prepis (z latinského transcriptio - prepisovanie) - proces syntézy RNA pomocou DNA ako šablóny, vyskytujúci sa vo všetkých živých bunkách. Inými slovami, ide o prenos genetickej informácie z DNA do RNA.

Transkripciu katalyzuje enzým DNA-dependentná RNA polymeráza. RNA polymeráza sa pohybuje pozdĺž molekuly DNA v smere 3" → 5". Transkripcia pozostáva z etáp iniciácia, predĺženie a ukončenie . Jednotkou transkripcie je operón, fragment molekuly DNA pozostávajúci z promótor, prepisovaná časť a terminátor . mRNA pozostáva z jedného reťazca a je syntetizovaná na DNA v súlade s pravidlom komplementarity za účasti enzýmu, ktorý aktivuje začiatok a koniec syntézy molekuly mRNA.

Hotová molekula mRNA vstupuje do cytoplazmy na ribozómy, kde dochádza k syntéze polypeptidových reťazcov.

3. Vysielanie (z lat. preklad- prenos, pohyb) - proces syntézy bielkovín z aminokyselín na matrici informačnej (messenger) RNA (mRNA, mRNA), ktorú vykonáva ribozóm. Inými slovami, toto je proces prekladu informácie obsiahnutej v sekvencii nukleotidov mRNA do sekvencie aminokyselín v polypeptide.

4. Reverzná transkripcia je proces tvorby dvojvláknovej DNA na základe informácií z jednovláknovej RNA. Tento proces sa nazýva reverzná transkripcia, pretože prenos genetickej informácie prebieha v „reverznom“ smere vzhľadom na transkripciu. Myšlienka reverznej transkripcie bola spočiatku veľmi nepopulárna, pretože bola v rozpore s centrálnou dogmou molekulárnej biológie, ktorá predpokladala, že DNA sa prepíše do RNA a potom sa preloží do proteínov.

V roku 1970 však Temin a Baltimore nezávisle na sebe objavili enzým tzv reverzná transkriptáza (revertáza) a nakoniec sa potvrdila možnosť reverznej transkripcie. V roku 1975 boli ocenení Temin a Baltimore nobelová cena v oblasti fyziológie a medicíny. Niektoré vírusy (napríklad vírus ľudskej imunodeficiencie, ktorý spôsobuje infekciu HIV) majú schopnosť prepisovať RNA do DNA. HIV má RNA genóm, ktorý je integrovaný do DNA. Výsledkom je, že DNA vírusu môže byť kombinovaná s genómom hostiteľskej bunky. Hlavný enzým zodpovedný za syntézu DNA z RNA je tzv spätný chod. Jednou z funkcií spätného chodu je vytvárať komplementárna DNA (cDNA) z vírusového genómu. Asociovaný enzým ribonukleáza štiepi RNA a reverzná syntetizuje cDNA z dvojitej špirály DNA. cDNA je integrovaná do genómu hostiteľskej bunky integrázou. Výsledkom je syntéza vírusových proteínov hostiteľskou bunkou, ktoré tvoria nové vírusy. V prípade HIV je naprogramovaná aj apoptóza (bunková smrť) T-lymfocytov. V iných prípadoch môže bunka zostať distribútorom vírusov.

Sekvenciu matricových reakcií počas biosyntézy proteínov je možné znázorniť vo forme diagramu.

teda biosyntéza bielkovín- ide o jeden z typov plastovej výmeny, počas ktorej sa dedičná informácia zakódovaná v génoch DNA implementuje do špecifickej sekvencie aminokyselín v molekulách bielkovín.

Proteínové molekuly sú v podstate polypeptidové reťazce, zložený z jednotlivých aminokyselín. Aminokyseliny však nie sú dostatočne aktívne na to, aby sa navzájom kombinovali samostatne. Preto predtým, ako sa navzájom spoja a vytvoria molekulu proteínu, musia aminokyseliny Aktivovať . K tejto aktivácii dochádza pôsobením špeciálnych enzýmov.

V dôsledku aktivácie sa aminokyselina stáva labilnejšou a pôsobením toho istého enzýmu sa viaže na t- RNA. Každá aminokyselina zodpovedá prísne špecifickému t- RNA, ktorý nájde „svoju“ aminokyselinu a prevody to do ribozómu.

V dôsledku toho rôzne aktivované aminokyseliny kombinované s vlastnými T- RNA. Ribozóm je ako dopravník zostaviť proteínový reťazec z rôznych aminokyselín, ktoré sú mu dodané.

Súčasne s t-RNA, na ktorej „sedí“ jej vlastná aminokyselina signál„z DNA, ktorá je obsiahnutá v jadre. V súlade s týmto signálom sa v ribozóme syntetizuje jeden alebo druhý proteín.

Riadiaci vplyv DNA na syntézu proteínov sa nevykonáva priamo, ale pomocou špeciálneho sprostredkovateľa - matice alebo messenger RNA (m-RNA alebo mRNA), ktorý syntetizované do jadra e pod vplyvom DNA, takže jeho zloženie odráža zloženie DNA. Molekula RNA je ako odliatok formy DNA. Syntetizovaná mRNA vstupuje do ribozómu a akoby ju prenáša do tejto štruktúry plánovať- v akom poradí sa musia aktivované aminokyseliny vstupujúce do ribozómu navzájom kombinovať, aby sa syntetizoval konkrétny proteín? Inak, genetická informácia zakódovaná v DNA sa prenesie do mRNA a potom do proteínu.

Molekula mRNA vstupuje do ribozómu a stehy jej. Ten jeho segment, ktorý je v tento moment v ribozóme, definované kodón (triplet), interaguje úplne špecifickým spôsobom s tými, ktoré sú mu štrukturálne podobné triplet (antikodón) v transferovej RNA, ktorá priviedla aminokyselinu do ribozómu.

Transferová RNA so svojou aminokyselinou sa zhoduje so špecifickým kodónom mRNA a spája s ním; do ďalšej susednej časti mRNA pridá sa ďalšia tRNA s inou aminokyselinou a tak ďalej, kým sa neprečíta celý reťazec i-RNA, kým sa všetky aminokyseliny nezredukujú v príslušnom poradí, čím sa vytvorí proteínová molekula. A tRNA, ktorá dodáva aminokyselinu do špecifickej časti polypeptidového reťazca, zbavený svojich aminokyselín a opúšťa ribozóm.

Potom, opäť v cytoplazme, sa k nej môže pripojiť požadovaná aminokyselina a opäť ju preniesť do ribozómu. V procese syntézy bielkovín sa súčasne nezúčastňuje jeden, ale niekoľko ribozómov - polyribozómov.

Hlavné fázy prenosu genetickej informácie:

1. Syntéza DNA ako templátu pre mRNA (transkripcia)
2. Syntéza polypeptidového reťazca v ribozómoch podľa programu obsiahnutého v mRNA (translácia) .

Štádiá sú univerzálne pre všetky živé bytosti, ale časové a priestorové vzťahy týchto procesov sa u pro- a eukaryotov líšia.

U prokaryota transkripcia a translácia môžu prebiehať súčasne, pretože DNA sa nachádza v cytoplazme. U eukaryoty transkripcia a translácia sú striktne oddelené v priestore a čase: v jadre dochádza k syntéze rôznych RNA, po ktorej musia molekuly RNA opustiť jadro prechodom cez jadrovú membránu. RNA sú potom transportované v cytoplazme do miesta syntézy proteínov.

Predtým sme zdôrazňovali, že nukleotidy majú dôležitú vlastnosť pre vznik života na Zemi – v prítomnosti jedného polynukleotidového reťazca v roztoku spontánne nastáva proces tvorby druhého (paralelného) reťazca na základe komplementárneho spojenia príbuzných nukleotidov. . Rovnaký počet nukleotidov v oboch reťazcoch a ich chemická afinita sú nevyhnutnou podmienkou pre realizáciu tohto typu reakcie. Pri syntéze proteínov, keď sa do proteínovej štruktúry implementujú informácie z mRNA, však nemôže byť ani reči o dodržiavaní princípu komplementarity. Je to spôsobené tým, že v mRNA a v syntetizovanom proteíne je rozdielny nielen počet monomérov, ale čo je obzvlášť dôležité, neexistuje medzi nimi štrukturálna podobnosť (na jednej strane nukleotidy, na druhej aminokyseliny ). Je jasné, že v tomto prípade je potrebné vytvoriť nový princíp na presný preklad informácie z polynukleotidu do štruktúry polypeptidu. V evolúcii vznikol takýto princíp a jeho základom bol genetický kód.

Genetický kód je systém na zaznamenávanie dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín, založený na určitom striedaní nukleotidových sekvencií v DNA alebo RNA, tvoriacich kodóny zodpovedajúce aminokyselinám v proteíne.

Genetický kód má niekoľko vlastností.

Trojnásobnosť.

Degenerácia alebo nadbytočnosť.

Jednoznačnosť.

Polarita.

Neprekrývajúce sa.

Kompaktnosť.

Všestrannosť.

Je potrebné poznamenať, že niektorí autori navrhujú aj iné vlastnosti kódu súvisiace s chemickými charakteristikami nukleotidov zahrnutých v kóde alebo frekvenciou výskytu jednotlivých aminokyselín v bielkovinách tela atď. Tieto vlastnosti však vyplývajú z vyššie uvedených vlastností, preto ich tam budeme brať do úvahy.

A. Trojnásobnosť. Genetický kód, podobne ako mnohé komplexne organizované systémy, má najmenšiu štrukturálnu a najmenšiu funkčnú jednotku. Triplet je najmenšia štruktúrna jednotka genetického kódu. Pozostáva z troch nukleotidov. Kodón je najmenšia funkčná jednotka genetického kódu. Typicky sa triplety mRNA nazývajú kodóny. V genetickom kóde plní kodón niekoľko funkcií. Po prvé, jeho hlavnou funkciou je, že kóduje jednu aminokyselinu. Po druhé, kodón nemusí kódovať aminokyselinu, ale v tomto prípade plní inú funkciu (pozri nižšie). Ako je zrejmé z definície, triplet je pojem, ktorý charakterizuje elementárne konštrukčná jednotka genetický kód (tri nukleotidy). Kodón – charakterizuje elementárna sémantická jednotka genóm – tri nukleotidy určujú pripojenie jednej aminokyseliny k polypeptidovému reťazcu.

Elementárna štruktúrna jednotka bola najskôr teoreticky dešifrovaná a potom bola jej existencia potvrdená experimentálne. V skutočnosti 20 aminokyselín nemôže byť kódovaných jedným alebo dvoma nukleotidmi, pretože z týchto sú len 4 Tri zo štyroch nukleotidov dávajú 4 3 = 64 variantov, čo viac ako pokrýva počet aminokyselín dostupných v živých organizmoch (pozri tabuľku 1).

64 nukleotidových kombinácií uvedených v tabuľke má dva znaky. Po prvé, zo 64 tripletových variantov je len 61 kodónov a kóduje akúkoľvek aminokyselinu, tzv. zmyselné kodóny. Tri triplety nekódujú

Stôl 1.

Messenger RNA kodóny a zodpovedajúce aminokyseliny

aminokyseliny a sú stop signály označujúce koniec translácie. Existujú tri takéto trojčatá - UAA, UAG, UGA nazývajú sa aj „bezvýznamné“ (nezmyselné kodóny). V dôsledku mutácie, ktorá je spojená s nahradením jedného nukleotidu v triplete iným, môže zo sense kodónu vzniknúť nezmyselný kodón. Tento typ mutácie sa nazýva nezmyselná mutácia. Ak sa takýto stop signál vytvorí vo vnútri génu (v jeho informačnej časti), tak pri proteínovej syntéze v tomto mieste bude proces neustále prerušovaný – syntetizuje sa len prvá (pred stop signálom) časť proteínu. Osoba s touto patológiou bude mať nedostatok bielkovín a bude mať príznaky spojené s týmto nedostatkom. Tento druh mutácie bol napríklad identifikovaný v géne kódujúcom reťazec beta hemoglobínu. Syntetizuje sa skrátený neaktívny reťazec hemoglobínu, ktorý sa rýchlo zničí. V dôsledku toho sa vytvorí molekula hemoglobínu bez beta reťazca. Je zrejmé, že takáto molekula pravdepodobne nebude plne plniť svoje povinnosti. Vyskytuje sa závažné ochorenie, ktoré sa vyvíja ako hemolytická anémia (beta-nulová talasémia, z gréckeho slova „Thalas“ - Stredozemné more, kde bola táto choroba prvýkrát objavená).

Mechanizmus účinku stop kodónov sa líši od mechanizmu účinku sense kodónov. Vyplýva to zo skutočnosti, že pre všetky kodóny kódujúce aminokyseliny boli nájdené zodpovedajúce tRNA. Pre nezmyselné kodóny sa nenašli žiadne tRNA. V dôsledku toho sa tRNA nezúčastňuje procesu zastavenia syntézy proteínov.

CodonAUG (niekedy GUG v baktériách) nielen kódujú aminokyseliny metionín a valín, ale sú tiežiniciátor vysielania .

b. Degenerácia alebo nadbytočnosť.

61 zo 64 tripletov kóduje 20 aminokyselín. Tento trojnásobný prebytok počtu tripletov nad počtom aminokyselín naznačuje, že pri prenose informácií možno použiť dve možnosti kódovania. Po prvé, nie všetkých 64 kodónov môže byť zapojených do kódovania 20 aminokyselín, ale iba 20 a po druhé, aminokyseliny môžu byť kódované niekoľkými kodónmi. Výskum ukázal, že príroda využila druhú možnosť.

Jeho preferencia je zrejmá. Ak by zo 64 variantných tripletov bolo len 20 zapojených do kódovania aminokyselín, potom by 44 tripletov (zo 64) zostalo nekódujúcich, t.j. nezmyselné (nezmyselné kodóny). Už predtým sme poukázali na to, aké nebezpečné je pre život bunky premeniť kódujúci triplet v dôsledku mutácie na nezmyselný kodón – to výrazne narúša normálne fungovanie RNA polymerázy, čo v konečnom dôsledku vedie k rozvoju chorôb. V súčasnosti sú tri kodóny v našom genóme nezmysly, ale teraz si predstavte, čo by sa stalo, keby sa počet nezmyselných kodónov zvýšil asi 15-krát. Je jasné, že v takejto situácii bude prechod normálnych kodónov na nezmyselné kodóny nemerateľne vyšší.

Kód, v ktorom je jedna aminokyselina kódovaná niekoľkými tripletmi, sa nazýva degenerovaný alebo nadbytočný. Takmer každá aminokyselina má niekoľko kodónov. Aminokyselina leucín teda môže byť kódovaná šiestimi tripletmi – UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valín je kódovaný štyrmi tripletmi, fenylalanín dvoma a len tryptofán a metionín kódované jedným kodónom. Vlastnosť, ktorá je spojená so zaznamenávaním rovnakých informácií s rôznymi symbolmi, sa nazýva degenerácia.

Počet kodónov určených pre jednu aminokyselinu dobre koreluje s frekvenciou výskytu aminokyseliny v proteínoch.

A to s najväčšou pravdepodobnosťou nie je náhodné. Čím vyššia je frekvencia výskytu aminokyseliny v proteíne, čím častejšie je kodón tejto aminokyseliny zastúpený v genóme, tým vyššia je pravdepodobnosť jeho poškodenia mutagénnymi faktormi. Preto je jasné, že mutovaný kodón má väčšiu šancu kódovať rovnakú aminokyselinu, ak je vysoko degenerovaný. Z tohto pohľadu je degenerácia genetického kódu mechanizmom, ktorý chráni ľudský genóm pred poškodením.

Treba si uvedomiť, že pojem degenerácia sa v molekulárnej genetike používa v inom zmysle. Ukazuje sa teda, že väčšina informácií v kodóne je obsiahnutá v prvých dvoch nukleotidoch v tretej pozícii kodónu. Tento jav sa nazýva „degenerácia tretej základne“. Posledná uvedená vlastnosť minimalizuje účinok mutácií. Napríklad je známe, že hlavnou funkciou červených krviniek je transport kyslíka z pľúc do tkanív a oxidu uhličitého z tkanív do pľúc. Túto funkciu plní respiračný pigment – ​​hemoglobín, ktorý vypĺňa celú cytoplazmu erytrocytu. Skladá sa z proteínovej časti – globínu, ktorý je kódovaný zodpovedajúcim génom. Okrem bielkovín obsahuje molekula hemoglobínu hém, ktorý obsahuje železo. Mutácie v globínových génoch vedú k objaveniu sa rôznych variantov hemoglobínov. Najčastejšie sú mutácie spojené s nahradenie jedného nukleotidu iným a objavenie sa nového kodónu v géne, ktorý môže kódovať novú aminokyselinu v polypeptidovom reťazci hemoglobínu. V triplete môže byť v dôsledku mutácie nahradený akýkoľvek nukleotid - prvý, druhý alebo tretí. Je známych niekoľko stoviek mutácií, ktoré ovplyvňujú integritu globínových génov. Blízko 400 z ktorých sú spojené s náhradou jednotlivých nukleotidov v géne a zodpovedajúcou náhradou aminokyselín v polypeptide. Iba z týchto 100 náhrady vedú k nestabilite hemoglobínu a rôznym druhom ochorení od miernych až po veľmi ťažké. 300 (približne 64 %) substitučných mutácií neovplyvňuje funkciu hemoglobínu a nevedie k patológii. Jedným z dôvodov je vyššie spomínaná „degenerácia tretej bázy“, keď nahradenie tretieho nukleotidu v triplete kódujúcom serín, leucín, prolín, arginín a niektoré ďalšie aminokyseliny vedie k objaveniu sa synonymického kodónu. kódujúce rovnakú aminokyselinu. Takáto mutácia sa neprejaví fenotypovo. Naproti tomu akékoľvek nahradenie prvého alebo druhého nukleotidu v triplete v 100 % prípadov vedie k objaveniu sa nového variantu hemoglobínu. Ale ani v tomto prípade nemusí ísť o závažné fenotypové poruchy. Dôvodom je nahradenie aminokyseliny v hemoglobíne inou aminokyselinou podobnou prvej vo fyzikálno-chemických vlastnostiach. Napríklad, ak je aminokyselina s hydrofilnými vlastnosťami nahradená inou aminokyselinou, ale s rovnakými vlastnosťami.

Hemoglobín pozostáva zo železnej porfyrínovej skupiny hému (na ňu sú naviazané molekuly kyslíka a oxidu uhličitého) a proteínu – globínu. Dospelý hemoglobín (HbA) obsahuje dva identické - reťaze a dva - reťaze. Molekula - reťazec obsahuje 141 aminokyselinových zvyškov, - reťaz - 146, - A -reťazce sa líšia v mnohých aminokyselinových zvyškoch. Aminokyselinová sekvencia každého globínového reťazca je kódovaná vlastným génom. Génové kódovanie - reťazec sa nachádza v krátkom ramene chromozómu 16, -gén - v krátkom ramene 11. chromozómu. Substitúcia v kódovaní génu -reťazec hemoglobínu prvého alebo druhého nukleotidu takmer vždy vedie k objaveniu sa nových aminokyselín v proteíne, narušeniu funkcií hemoglobínu a vážnym následkom pre pacienta. Napríklad nahradenie „C“ v jednom z tripletov CAU (histidín) za „Y“ povedie k vzniku nového tripletu UAU, kódujúceho inú aminokyselinu – tyrozín, fenotypicky sa to prejaví v ťažkej chorobe podobné nahradenie v pozícii 63 -reťazec histidínového polypeptidu na tyrozín povedie k destabilizácii hemoglobínu. Vyvíja sa methemoglobinémia choroby. Náhrada, ako výsledok mutácie, kyseliny glutámovej za valín na 6. pozícii -reťazec je príčinou najťažšieho ochorenia – kosáčikovitej anémie. Nepokračujme v smutnom zozname. Poznamenajme len, že pri nahradení prvých dvoch nukleotidov sa môže objaviť aminokyselina s fyzikálno-chemickými vlastnosťami podobnými predchádzajúcej. Teda nahradenie 2. nukleotidu v jednom z tripletov kódujúcich kyselinu glutámovú (GAA) v -reťazec s „U“ vedie k objaveniu sa nového tripletu (GUA), kódujúceho valín, a nahradením prvého nukleotidu za „A“ vzniká triplet AAA, kódujúci aminokyselinu lyzín. Kyselina glutámová a lyzín majú podobné fyzikálno-chemické vlastnosti – obe sú hydrofilné. Valín je hydrofóbna aminokyselina. Preto nahradenie hydrofilnej kyseliny glutámovej hydrofóbnym valínom výrazne mení vlastnosti hemoglobínu, čo v konečnom dôsledku vedie k rozvoju kosáčikovitej anémie, zatiaľ čo nahradenie hydrofilnej kyseliny glutámovej hydrofilným lyzínom mení funkciu hemoglobínu v menšej miere – u pacientov vzniká mierna forma anémie. V dôsledku nahradenia tretej bázy môže nový triplet kódovať rovnaké aminokyseliny ako predchádzajúci. Napríklad, ak v triplete CAC bol uracil nahradený cytozínom a objavil sa triplet CAC, potom sa u ľudí prakticky nezistia žiadne fenotypové zmeny. Je to pochopiteľné, pretože oba triplety kódujú rovnakú aminokyselinu – histidín.

Na záver je vhodné zdôrazniť, že degenerácia genetického kódu a degenerácia tretej bázy zo všeobecného biologického hľadiska sú ochranné mechanizmy, ktoré sú vlastné evolúcii v jedinečnej štruktúre DNA a RNA.

V. Jednoznačnosť.

Každý triplet (okrem nezmyslu) kóduje iba jednu aminokyselinu. Teda v smere kodón - aminokyselina je genetický kód jednoznačný, v smere aminokyselina - kodón je nejednoznačný (degenerovaný).

Jednoznačne

Aminokyselinový kodón

Degenerovať

A v tomto prípade je zrejmá potreba jednoznačnosti v genetickom kóde. V inej možnosti by sa pri translácii toho istého kodónu do proteínového reťazca vložili rôzne aminokyseliny a v dôsledku toho by sa vytvorili proteíny s rôznymi primárnymi štruktúrami a rôznymi funkciami. Bunkový metabolizmus by prešiel na spôsob fungovania „jeden gén – niekoľko polypeptidov“. Je jasné, že v takejto situácii by sa regulačná funkcia génov úplne stratila.

g. Polarita

Čítanie informácií z DNA a mRNA prebieha iba jedným smerom. Polarita je dôležitá pre definovanie štruktúr vyššieho rádu (sekundárne, terciárne atď.). Predtým sme hovorili o tom, ako štruktúry nižšieho rádu určujú štruktúry vyššieho rádu. Terciárna štruktúra a štruktúry viac vysoký poriadok v proteínoch vznikajú okamžite, akonáhle syntetizovaný reťazec RNA opustí molekulu DNA alebo polypeptidový reťazec opustí ribozóm. Zatiaľ čo voľný koniec RNA alebo polypeptidu získa terciárnu štruktúru, druhý koniec reťazca pokračuje v syntéze na DNA (ak je RNA transkribovaná) alebo ribozóme (ak je polypeptid transkribovaný).

Jednosmerný proces čítania informácií (pri syntéze RNA a proteínu) je preto nevyhnutný nielen pre určenie sekvencie nukleotidov alebo aminokyselín v syntetizovanej látke, ale pre striktné určenie sekundárnych, terciárnych atď. štruktúry.

d.

Kód sa môže prekrývať alebo sa neprekrývať. Vo väčšine organizmov sa kód neprekrýva. Prekrývajúci sa kód sa nachádza v niektorých fágoch.

Podstatou neprekrývajúceho sa kódu je, že nukleotid jedného kodónu nemôže byť súčasne nukleotidom iného kodónu. Ak by sa kód prekrýval, potom sekvencia siedmich nukleotidov (GCUGCUG) by mohla kódovať nie dve aminokyseliny (alanín-alanín) (obr. 33, A) ako v prípade neprekrývajúceho sa kódu, ale tri (ak existuje jeden spoločný nukleotid) (obr. 33, B) alebo päť (ak sú spoločné dva nukleotidy) (pozri obr. 33, C). V posledných dvoch prípadoch by mutácia ktoréhokoľvek nukleotidu viedla k porušeniu sekvencie dvoch, troch atď. aminokyseliny.

Zistilo sa však, že mutácia jedného nukleotidu vždy naruší zahrnutie jednej aminokyseliny do polypeptidu. Toto je významný argument, že kód sa neprekrýva.

Vysvetlime si to na obrázku 34. Hrubé čiary znázorňujú triplety kódujúce aminokyseliny v prípade neprekrývajúceho sa a prekrývajúceho sa kódu. Experimenty jasne ukázali, že genetický kód sa neprekrýva. Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností experimentu, poznamenávame, že ak nahradíte tretí nukleotid v sekvencii nukleotidov (pozri obr. 34)U (označené hviezdičkou) na inú vec:

1. S neprekrývajúcim sa kódom by proteín riadený touto sekvenciou mal substitúciu jednej (prvej) aminokyseliny (označenej hviezdičkami).

2. S prekrývajúcim sa kódom v možnosti A by došlo k substitúcii v dvoch (prvých a druhých) aminokyselinách (označených hviezdičkami). Podľa možnosti B by nahradenie ovplyvnilo tri aminokyseliny (označené hviezdičkami).

Početné experimenty však ukázali, že pri narušení jedného nukleotidu v DNA sa narušenie v proteíne týka vždy len jednej aminokyseliny, čo je typické pre neprekrývajúci sa kód.

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

Neprekrývajúci sa kód Prekrývajúci sa kód

Ryža. 34. Diagram vysvetľujúci prítomnosť neprekrývajúceho sa kódu v genóme (vysvetlenie v texte).

Neprekrytie genetického kódu je spojené s ďalšou vlastnosťou – čítanie informácie začína od určitého bodu – iniciačným signálom. Takýmto iniciačným signálom v mRNA je kodón kódujúci metionín AUG.

Treba poznamenať, že ľudia majú stále malý počet génov, ktoré sa odchyľujú všeobecné pravidlo a prekrývajú sa.

e.

Medzi kodónmi nie je žiadna interpunkcia. Inými slovami, triplety nie sú od seba oddelené napríklad jedným nezmyselným nukleotidom. Neprítomnosť „interpunkčných znamienok“ v genetickom kóde bola dokázaná v experimentoch.

a. Všestrannosť.

Kód je rovnaký pre všetky organizmy žijúce na Zemi. Priamy dôkaz univerzálnosti genetického kódu bol získaný porovnaním sekvencií DNA so zodpovedajúcimi proteínovými sekvenciami. Ukázalo sa, že všetky bakteriálne a eukaryotické genómy používajú rovnaké súbory kódových hodnôt. Existujú výnimky, ale nie je ich veľa.

Prvé výnimky z univerzálnosti genetického kódu sa našli v mitochondriách niektorých živočíšnych druhov. Týkalo sa to terminátorového kodónu UGA, ktorý sa číta rovnako ako kodón UGG, kódujúci aminokyselinu tryptofán. Našli sa aj ďalšie zriedkavejšie odchýlky od univerzálnosti.

MZ. Genetický kód je systém na zaznamenávanie dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín, založený na určitom striedaní nukleotidových sekvencií v DNA alebo RNA, ktoré tvoria kodóny,

zodpovedajúce aminokyselinám v bielkovinách.Genetický kód má niekoľko vlastností.

Genetický kód, vyjadrený v kodónoch, je systém kódovania informácií o štruktúre proteínov, ktorý je vlastný všetkým živým organizmom na planéte. Trvalo desaťročie, kým ju rozlúštili, no veda pochopila, že existuje takmer storočie. Univerzálnosť, špecifickosť, jednosmernosť a najmä degenerácia genetického kódu majú dôležitý biologický význam.

História objavov

Problém kódovania bol v biológii vždy kľúčový. Veda postupovala pomerne pomaly smerom k matricovej štruktúre genetického kódu. Od objavu dvojzávitnicovej štruktúry DNA J. Watsonom a F. Crickom v roku 1953 sa začala etapa rozlúštenia samotnej štruktúry kódu, čo podnietilo vieru vo veľkosť prírody. Lineárna štruktúra proteínov a rovnaká štruktúra DNA implikovali prítomnosť genetického kódu ako zhody medzi dvoma textami, ale napísanými pomocou rôznych abecied. A ak bola známa abeceda bielkovín, potom sa znaky DNA stali predmetom štúdia biológov, fyzikov a matematikov.

Nemá zmysel popisovať všetky kroky pri riešení tejto hádanky. Priamy experiment, ktorý dokázal a potvrdil, že existuje jasná a konzistentná zhoda medzi kodónmi DNA a proteínovými aminokyselinami, uskutočnili v roku 1964 C. Janowski a S. Brenner. A potom - obdobie dešifrovania genetického kódu in vitro (v skúmavke) pomocou techník syntézy proteínov v bezbunkových štruktúrach.

Úplne rozlúštený kód E. Coli bol zverejnený v roku 1966 na sympóziu biológov v Cold Spring Harbor (USA). Potom bola objavená redundancia (degenerácia) genetického kódu. Čo to znamená, je vysvetlené celkom jednoducho.

Dekódovanie pokračuje

Získanie údajov o rozlúštení dedičného kódu bolo jednou z najvýznamnejších udalostí minulého storočia. Dnes veda pokračuje v hĺbkovom štúdiu mechanizmov molekulárneho kódovania a jeho systémových znakov a prebytku znakov, čo vyjadruje degeneračnú vlastnosť genetického kódu. Samostatným študijným odborom je vznik a vývoj systému kódovania dedičného materiálu. Dôkazy o spojení medzi polynukleotidmi (DNA) a polypeptidmi (proteínmi) dali impulz rozvoju molekulárnej biológie. A to zase k biotechnológiám, bioinžinierstvu, objavom v šľachtení a pestovaní rastlín.

Dogmy a pravidlá

Hlavnou dogmou molekulárnej biológie je, že informácie sa prenášajú z DNA do messenger RNA a potom z nej do proteínu. V opačnom smere je možný prenos z RNA do DNA az RNA do inej RNA.

Ale matricou alebo základom vždy zostáva DNA. A všetky ostatné základné črty prenosu informácií sú odrazom tejto matricovej povahy prenosu. A to prenos prostredníctvom syntézy iných molekúl na matrici, ktoré sa stanú štruktúrou pre reprodukciu dedičnej informácie.

Genetický kód

Lineárne kódovanie štruktúry proteínových molekúl sa uskutočňuje pomocou komplementárnych kodónov (tripletov) nukleotidov, z ktorých sú len 4 (adeín, guanín, cytozín, tymín (uracil)), čo spontánne vedie k vytvoreniu ďalšieho reťazca nukleotidov. . Rovnaký počet a chemická komplementarita nukleotidov je hlavnou podmienkou takejto syntézy. Ale keď sa vytvorí molekula proteínu, neexistuje žiadna kvalitatívna zhoda medzi množstvom a kvalitou monomérov (nukleotidy DNA sú proteínové aminokyseliny). Toto je prirodzený dedičný kód - systém na zaznamenávanie sekvencie aminokyselín v proteíne do sekvencie nukleotidov (kodónov).

Genetický kód má niekoľko vlastností:

• Trojnásobnosť.
• Jednoznačnosť.
• Smerovosť.
• Neprekrývajúce sa.
• Redundancia (degenerácia) genetického kódu.
• Všestrannosť.

Dajme si stručný popis so zameraním na biologický význam.

Trojitosť, kontinuita a prítomnosť signálov na zastavenie

Každá zo 61 aminokyselín zodpovedá jednému sense tripletu (tripletu) nukleotidov. Tri triplety nenesú informácie o aminokyselinách a sú to stop kodóny. Každý nukleotid v reťazci je súčasťou tripletu a neexistuje samostatne. Na konci a na začiatku reťazca nukleotidov zodpovedných za jeden proteín sú stop kodóny. Spúšťajú alebo zastavujú transláciu (syntézu molekuly proteínu).

Špecifickosť, neprekrývanie sa a jednosmernosť

Každý kodón (triplet) kóduje iba jednu aminokyselinu. Každá trojica je nezávislá od suseda a neprekrýva sa. Jeden nukleotid môže byť zahrnutý iba v jednom triplete v reťazci. Syntéza bielkovín prebieha vždy len jedným smerom, ktorý je regulovaný stop kodónmi.

Redundancia genetického kódu

Každý triplet nukleotidov kóduje jednu aminokyselinu. Celkovo je 64 nukleotidov, z ktorých 61 kóduje aminokyseliny (sense kodóny) a tri sú nezmysly, to znamená, že nekódujú aminokyselinu (stop kodóny). Redundancia (degenerácia) genetického kódu spočíva v tom, že v každom triplete môžu byť uskutočnené substitúcie - radikálne (vedú k nahradeniu aminokyseliny) a konzervatívne (nemenia triedu aminokyseliny). Je ľahké vypočítať, že ak je možné urobiť 9 substitúcií v triplete (pozícia 1, 2 a 3), každý nukleotid môže byť nahradený 4 - 1 = 3 ďalšími možnosťami, potom celkový počet možné možnosti nukleotidových substitúcií bude 61 x 9 = 549.

Degenerácia genetického kódu sa prejavuje v tom, že 549 variantov je oveľa viac, ako je potrebné na zakódovanie informácie o 21 aminokyselinách. Navyše z 549 variantov 23 substitúcií povedie k vytvoreniu stop kodónov, 134 + 230 substitúcií je konzervatívnych a 162 substitúcií je radikálnych.

Pravidlo degenerácie a vylúčenia

Ak dva kodóny majú dva identické prvé nukleotidy a zvyšné sú reprezentované nukleotidmi rovnakej triedy (purín alebo pyrimidín), potom nesú informáciu o tej istej aminokyseline. Toto je pravidlo degenerácie alebo nadbytočnosti genetického kódu. Dve výnimky sú AUA a UGA – prvá kóduje metionín, hoci by to mal byť izoleucín, a druhá je stop kodón, hoci by mal kódovať tryptofán.

Význam degenerácie a univerzálnosti

Práve tieto dve vlastnosti genetického kódu majú najväčší biologický význam. Všetky vyššie uvedené vlastnosti sú charakteristické pre dedičnú informáciu všetkých foriem živých organizmov na našej planéte.

Degenerácia genetického kódu má adaptačný význam, ako je viacnásobná duplikácia kódu pre jednu aminokyselinu. Navyše to znamená zníženie významnosti (degeneráciu) tretieho nukleotidu v kodóne. Táto možnosť minimalizuje mutačné poškodenie v DNA, čo povedie k hrubým poruchám v štruktúre proteínu. Toto obranný mechanizmusživé organizmy na planéte.