Генетичен код и неговите свойства биология. Генетичният код като начин за записване на наследствена информация

Те се подреждат във вериги и по този начин произвеждат последователности от генетични букви.

Генетичен код

Протеините на почти всички живи организми са изградени само от 20 вида аминокиселини. Тези аминокиселини се наричат ​​канонични. Всеки протеин представлява верига или няколко вериги от аминокиселини, свързани в строго определена последователност. Тази последователност определя структурата на протеина и следователно всички негови биологични свойства.

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

В някои протеини нестандартни аминокиселини, като селеноцистеин и пиролизин, се вмъкват от рибозома, разчитаща стоп кодона, в зависимост от последователностите в иРНК. Селеноцистеинът сега се счита за 21-ва, а пиролизинът за 22-ра аминокиселина, която изгражда протеините.

Въпреки тези изключения, всички живи организми имат генетичен код Общи черти: кодонът се състои от три нуклеотида, като първите два са решаващи; кодоните се транслират от tRNA и рибозоми в аминокиселинна последователност.

История на идеите за генетичния код

Но в началото на 60-те години на 20-ти век нови данни разкриха несъответствието на хипотезата за „код без запетаи“. Тогава експериментите показват, че кодоните, считани от Крик за безсмислени, могат да провокират синтеза на протеини in vitro и до 1965 г. е установено значението на всичките 64 триплета. Оказа се, че някои кодони са просто излишни, тоест цяла поредица от аминокиселини са кодирани от два, четири или дори шест триплета.

Вижте също

Бележки

1. Генетичният код поддържа целево вмъкване на две аминокиселини от един кодон. Туранов А.А., Лобанов А.В., Фоменко Д.Е., Морисън Х.Г., Согин М.Л., Клобътчер Л.А., Хатфийлд Д.Л., Гладишев В.Н. Наука. 9 януари 2009 г.;323(5911):259-61.
2. AUG кодонът кодира метионин, но в същото време служи като начален кодон - транслацията обикновено започва с първия AUG кодон на иРНК.
3. NCBI: „Генетични кодове“, съставен от Анджей (Анджай) Елзановски и Джим Остел
4. Jukes TH, Osawa S, Генетичният код в митохондриите и хлоропластите., Опит. 1990 г. 1 декември;46(11-12):1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (март 1992 г.). „Последни доказателства за еволюцията на генетичния код.“ Microbiol. Rev. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
6. САНГЪР Ф. (1952). "Подреждането на аминокиселините в протеините." Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
7. М. ИчасБиологичен код. - Свят, 1971г.
8. WATSON JD, CRICK FH. (април 1953 г.). „Молекулярна структура на нуклеиновите киселини; структура за дезоксирибозна нуклеинова киселина." Природата 171 : 737-738. PMID 13054692.
9. WATSON JD, CRICK FH. (май 1953 г.). "Генетични последици от структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина." Природата 171 : 964-967. PMID 13063483.
10. Крик FH. (април 1966 г.). "Генетичният код - вчера, днес и утре." Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
11. Г. ГЪМОВ (февруари 1954 г.). „Възможна връзка между дезоксирибонуклеиновата киселина и протеиновите структури.“ Природата 173 : 318. DOI: 10.1038/173318a0. PMID 13882203.
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). "Проблемът с трансфера на информация от нуклеиновите киселини към протеините." Adv Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
13. Gamow G, Ycas M. (1955). „СТАТИСТИЧЕСКА КОРЕЛАЦИЯ НА СЪСТАВА НА ПРОТЕИН И РИБОНУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА. " Proc Natl Acad Sci САЩ. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). „КОДОВЕ БЕЗ ЗАПЕТАИ. " Proc Natl Acad Sci САЩ. 43 : 416-421. PMID 16590032.
15. Хейс Б. (1998). „Изобретяването на генетичния код“. (PDF препечатка). американски учен 86 : 8-14.

Литература

• Азимов А. Генетичен код. От теорията на еволюцията до дешифрирането на ДНК. - М.: Центрполиграф, 2006. - 208 с. - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ратнър ​​В. А. Генетичният код като система - образователен журнал на Сорос, 2000, 6, № 3, стр. 17-22.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Обща природа на генетичния код за протеини - Nature, 1961 (192), pp. 1227-32

Връзки

• Генетичен код- статия от Голямата съветска енциклопедия

Фондация Уикимедия. 2010 г.

По-рано подчертахме, че нуклеотидите имат важна характеристика за образуването на живот на Земята - при наличието на една полинуклеотидна верига в разтвор, процесът на образуване на втора (паралелна) верига спонтанно възниква въз основа на комплементарна връзка на свързани нуклеотиди . Еднаквият брой нуклеотиди в двете вериги и техният химичен афинитет са задължително условие за осъществяването на този тип реакция. Но по време на протеиновия синтез, когато информацията от иРНК се внедрява в протеиновата структура, не може да се говори за спазване на принципа на комплементарност. Това се дължи на факта, че в иРНК и в синтезирания протеин не само броят на мономерите е различен, но и, което е особено важно, няма структурна прилика между тях (нуклеотидите от една страна, аминокиселините от друга ). Ясно е, че в този случай има нужда от създаване на нов принцип за точно превеждане на информация от полинуклеотид в структурата на полипептид. В еволюцията е създаден такъв принцип и неговата основа е генетичният код.

Генетичният код е система за запис наследствена информацияв молекулите на нуклеинова киселина, въз основа на определено редуване на нуклеотидни последователности в ДНК или РНК, образуващи кодони, съответстващи на аминокиселините в протеина.

Генетичният код има няколко свойства.

Тройност.

Дегенерация или излишък.

Еднозначност.

Полярност.

Не препокриващи се.

Компактност.

Универсалност.

Трябва да се отбележи, че някои автори предлагат и други свойства на кода, свързани с химически характеристикивключени в кода на нуклеотидите или с честотата на срещане на отделните аминокиселини в протеините на тялото и др. Тези свойства обаче следват от изброените по-горе, така че ще ги разгледаме там.

А. Тройност. Генетичният код, подобно на много сложно организирани системи, има най-малката структурна и най-малката функционална единица. Триплетът е най-малката структурна единица на генетичния код. Състои се от три нуклеотида. Кодонът е най-малката функционална единица на генетичния код. Обикновено триплетите от иРНК се наричат ​​кодони. В генетичния код кодонът изпълнява няколко функции. Първо, основната му функция е, че кодира една аминокиселина. Второ, кодонът може да не кодира аминокиселина, но в този случай той изпълнява друга функция (виж по-долу). Както се вижда от определението, триплетът е понятие, което характеризира елементарен структурна единицагенетичен код (три нуклеотида). Кодон – характеризира елементарна семантична единицагеном - три нуклеотида определят прикрепването на една аминокиселина към полипептидната верига.

Елементарната структурна единица първо беше дешифрирана теоретично, а след това съществуването й беше потвърдено експериментално. Наистина 20 аминокиселини не могат да бъдат кодирани с един или два нуклеотида, защото последните са само 4. Три нуклеотида от четири дават 4 3 = 64 варианта, което повече от покрива броя на наличните аминокиселини в живите организми (вижте Таблица 1).

64-те нуклеотидни комбинации, представени в таблицата, имат две характеристики. Първо, от 64-те варианта на триплетите, само 61 са кодони и кодират всяка аминокиселина, те се наричат сетивни кодони. Три тройки не кодират

Маса 1.

Кодони на информационна РНК и съответните аминокиселини

аминокиселините а са стоп сигнали, показващи края на транслацията. Има три такива тройки - UAA, UAG, UGA, те също се наричат ​​„безсмислени“ (безсмислени кодони). В резултат на мутация, която е свързана със замяната на един нуклеотид в триплет с друг, безсмислен кодон може да възникне от сенс кодон. Този вид мутация се нарича безсмислена мутация. Ако такъв стоп сигнал се формира вътре в гена (в неговата информационна част), то по време на синтеза на протеин на това място процесът постоянно ще се прекъсва - ще се синтезира само първата (преди стоп сигнала) част от протеина. Човек с тази патология ще изпита липса на протеин и ще изпита симптоми, свързани с този дефицит. Например, този вид мутация е идентифицирана в гена, кодиращ бета веригата на хемоглобина. Синтезира се скъсена неактивна хемоглобинова верига, която бързо се разрушава. В резултат на това се образува молекула хемоглобин, лишена от бета верига. Ясно е, че такава молекула едва ли ще изпълни напълно задълженията си. Настъпва тежко заболяване, развиващо се като хемолитична анемия (бета-нулева таласемия, от гръцка дума"Таласа" - Средиземно море, където тази болест е открита за първи път).

Механизмът на действие на стоп кодоните се различава от механизма на действие на сенс кодоните. Това следва от факта, че за всички кодони, кодиращи аминокиселини, са открити съответстващи тРНК. Не са намерени тРНК за безсмислени кодони. Следователно tRNA не участва в процеса на спиране на протеиновия синтез.

КодонАВГУСТ (понякога GUG в бактерии) не само кодират аминокиселините метионин и валин, но също така саинициатор на излъчване .

b. Дегенерация или излишък.

61 от 64 триплета кодират 20 аминокиселини. Този трикратен излишък на броя на триплетите над броя на аминокиселините предполага, че могат да се използват две опции за кодиране при трансфера на информация. Първо, не всички 64 кодона могат да участват в кодирането на 20 аминокиселини, а само 20 и, второ, аминокиселините могат да бъдат кодирани от няколко кодона. Изследванията показват, че природата е използвала последния вариант.

Предпочитанието му е очевидно. Ако от 64 вариантни триплета само 20 участват в кодирането на аминокиселини, тогава 44 триплета (от 64) ще останат некодиращи, т.е. безсмислени (безсмислени кодони). По-рано посочихме колко опасно е за живота на клетката да трансформира кодиращ триплет в резултат на мутация в безсмислен кодон - това значително нарушава нормалното функциониране на РНК полимераза, което в крайна сметка води до развитие на заболявания. В момента три кодона в нашия геном са безсмислени, но сега си представете какво би се случило, ако броят на безсмислените кодони се увеличи с около 15 пъти. Ясно е, че в такава ситуация преходът на нормалните кодони към безсмислените кодони ще бъде неизмеримо по-висок.

Код, в който една аминокиселина е кодирана от няколко триплета, се нарича изроден или излишен. Почти всяка аминокиселина има няколко кодона. Така аминокиселината левцин може да бъде кодирана от шест триплета - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Валинът се кодира от четири триплета, фенилаланинът се кодира само от два триптофан и метионинкодиран от един кодон. Свойството, което е свързано със записването на една и съща информация с различни символи, се нарича израждане.

Броят на кодоните, определени за една аминокиселина, корелира добре с честотата на срещане на аминокиселината в протеините.

И това най-вероятно не е случайно. Колкото по-висока е честотата на поява на аминокиселина в протеин, толкова по-често кодонът на тази аминокиселина е представен в генома, толкова по-голяма е вероятността от увреждане от мутагенни фактори. Следователно е ясно, че мутирал кодон има по-голям шанс да кодира същата аминокиселина, ако е силно дегенерирал. От тази гледна точка израждането на генетичния код е механизъм, който предпазва човешкия геном от увреждане.

Трябва да се отбележи, че терминът дегенерация се използва в молекулярната генетика в друг смисъл. По този начин по-голямата част от информацията в кодона се съдържа в първите два нуклеотида; основата в третата позиция на кодона се оказва малко важна. Това явление се нарича "дегенерация на третата база". Последната характеристика минимизира ефекта от мутациите. Например, известно е, че основната функция на червените кръвни клетки е да транспортират кислород от белите дробове към тъканите и въглероден диоксид от тъканите към белите дробове. Тази функция се изпълнява от дихателния пигмент - хемоглобин, който изпълва цялата цитоплазма на еритроцита. Състои се от белтъчна част – глобин, която е кодирана от съответния ген. В допълнение към протеина, молекулата на хемоглобина съдържа хем, който съдържа желязо. Мутациите в глобиновите гени водят до появата на различни варианти на хемоглобини. Най-често мутациите са свързани с замяна на един нуклеотид с друг и поява на нов кодон в гена, който може да кодира нова аминокиселина в полипептидната верига на хемоглобина. В триплет, в резултат на мутация, всеки нуклеотид може да бъде заменен - ​​първи, втори или трети. Известни са няколкостотин мутации, които засягат целостта на глобиновите гени. Близо до 400 от които са свързани със замяната на единични нуклеотиди в ген и съответната аминокиселинна замяна в полипептид. Само от тези 100 заместванията водят до нестабилност на хемоглобина и различни видове заболявания от леки до много тежки. 300 (приблизително 64%) заместващи мутации не засягат функцията на хемоглобина и не водят до патология. Една от причините за това е гореспоменатата „дегенерация на третата база“, когато заместването на третия нуклеотид в триплет, кодиращ серин, левцин, пролин, аргинин и някои други аминокиселини, води до появата на синонимния кодон кодираща същата аминокиселина. Такава мутация няма да се прояви фенотипно. Обратно, всяка замяна на първи или втори нуклеотид в триплет в 100% от случаите води до появата на нов вариант на хемоглобина. Но дори и в този случай може да няма тежки фенотипни нарушения. Причината за това е замяната на аминокиселина в хемоглобина с друга, подобна на първата по физикохимични свойства. Например, ако аминокиселина с хидрофилни свойства се замени с друга аминокиселина, но със същите свойства.

Хемоглобинът се състои от желязната порфиринова група на хема (към него са прикрепени молекули кислород и въглероден диоксид) и протеин - глобин. Възрастен хемоглобин (HbA) съдържа две идентични -вериги и две - вериги. Молекула - веригата съдържа 141 аминокиселинни остатъка, -верига - 146, - И -вериги се различават по много аминокиселинни остатъци. Аминокиселинната последователност на всяка глобинова верига е кодирана от собствен ген. Генно кодиране - веригата е разположена в късото рамо на хромозома 16, -ген - в късото рамо на хромозома 11. Заместване в генното кодиране -хемоглобиновата верига на първия или втория нуклеотид почти винаги води до появата на нови аминокиселини в протеина, нарушаване на функциите на хемоглобина и сериозни последствия за пациента. Например, замяната на "C" в един от триплетите CAU (хистидин) с "Y" ще доведе до появата на нов триплет UAU, кодиращ друга аминокиселина - тирозин.Фенотипно това ще се прояви в тежко заболяване. подобно заместване в позиция 63 -верига на хистидин полипептид към тирозин ще доведе до дестабилизиране на хемоглобина. Развива се заболяването метхемоглобинемия. Заместване в резултат на мутация на глутаминовата киселина с валин на 6-та позиция -веригата е причина за най-тежкото заболяване – сърповидноклетъчната анемия. Нека не продължаваме тъжния списък. Нека само да отбележим, че при замяна на първите два нуклеотида може да се появи аминокиселина физични и химични свойстваподобен на предишния. По този начин заместването на 2-ри нуклеотид в един от триплетите, кодиращи глутаминовата киселина (GAA) в -верига с “U” води до появата на нов триплет (GUA), кодиращ валин, а замяната на първия нуклеотид с “А” образува триплета ААА, кодиращ аминокиселината лизин. Глутаминовата киселина и лизинът са сходни по физикохимични свойства – и двата са хидрофилни. Валинът е хидрофобна аминокиселина. Следователно, заместването на хидрофилната глутаминова киселина с хидрофобен валин значително променя свойствата на хемоглобина, което в крайна сметка води до развитие на сърповидно-клетъчна анемия, докато заместването на хидрофилната глутаминова киселина с хидрофилен лизин променя функцията на хемоглобина в по-малка степен - пациентите развиват лека формаанемия. В резултат на замяната на третата база новият триплет може да кодира същите аминокиселини като предишния. Например, ако в CAC триплета урацилът е заменен с цитозин и се появи CAC триплет, тогава практически няма да бъдат открити фенотипни промени при хора. Това е разбираемо, т.к и двата триплета кодират една и съща аминокиселина – хистидин.

В заключение е уместно да се подчертае, че израждането на генетичния код и израждането на третата база от общобиологична гледна точка са защитни механизми, които са присъщи на еволюцията в уникалната структура на ДНК и РНК.

V. Еднозначност.

Всеки триплет (с изключение на безсмислените) кодира само една аминокиселина. Така по посока кодон - аминокиселина генетичният код е еднозначен, по посока аминокиселина - кодон е двусмислен (изроден).

Еднозначно

Аминокиселинен кодон

Изродени

И в този случай необходимостта от недвусмисленост в генетичен кодочевидно. При друг вариант, при транслиране на един и същ кодон, в протеиновата верига биха се вмъкнали различни аминокиселини и в резултат на това биха се образували протеини с различна първична структура и различни функции. Клетъчният метаболизъм ще премине към режим на работа „един ген – няколко полипептида“. Ясно е, че в такава ситуация регулаторната функция на гените би била напълно загубена.

ж. Полярност

Четенето на информация от ДНК и иРНК става само в една посока. Полярността има важноза определяне на структури от по-висок порядък (вторични, третични и т.н.). По-рано говорихме за това как структурите от по-нисък ред определят структури от по-висок ред. Третичната структура и структурите от по-висок порядък в протеините се образуват веднага щом синтезираната РНК верига напусне молекулата на ДНК или полипептидната верига напусне рибозомата. Докато свободният край на РНК или полипептид придобива третична структура, другият край на веригата продължава да се синтезира върху ДНК (ако РНК се транскрибира) или рибозома (ако се транскрибира полипептид).

Следователно, еднопосочният процес на четене на информация (по време на синтеза на РНК и протеин) е от съществено значение не само за определяне на последователността на нуклеотидите или аминокиселините в синтезираното вещество, но и за стриктното определяне на вторични, третични и т.н. структури.

г. Неприпокриване.

Кодът може да се припокрива или да не се припокрива. Повечето организми имат код, който не се припокрива. В някои фаги се открива припокриващ се код.

Същността на кода без припокриване е, че нуклеотид на един кодон не може едновременно да бъде нуклеотид на друг кодон. Ако кодът се припокрива, тогава последователността от седем нуклеотида (GCUGCUG) може да кодира не две аминокиселини (аланин-аланин) (Фиг. 33, A), както в случая на код без припокриване, а три (ако има един общ нуклеотид) (фиг. 33, B) или пет (ако два нуклеотида са общи) (вижте фиг. 33, C). В последните два случая мутация на който и да е нуклеотид би довела до нарушение в последователността на два, три и т.н. аминокиселини.

Установено е обаче, че мутация на един нуклеотид винаги нарушава включването на една аминокиселина в полипептида. Това е важен аргумент, че кодът не се припокрива.

Нека обясним това на Фигура 34. Удебелените линии показват триплети, кодиращи аминокиселини в случай на неприпокриващ се и припокриващ се код. Експериментите ясно показват, че генетичният код не се припокрива. Без да навлизаме в подробности за експеримента, отбелязваме, че ако замените третия нуклеотид в последователността от нуклеотиди (вижте фиг. 34)U (отбелязано със звездичка) към друго нещо:

1. С код без припокриване, протеинът, контролиран от тази последователност, ще има заместване на една (първа) аминокиселина (маркирана със звездички).

2. При припокриващ се код във вариант А, заместване ще настъпи в две (първа и втора) аминокиселини (маркирани със звездички). При вариант Б замяната ще засегне три аминокиселини (маркирани със звездички).

Многобройни експерименти обаче показват, че когато един нуклеотид в ДНК е разкъсан, разрушаването в протеина винаги засяга само една аминокиселина, което е типично за код без припокриване.

ГЗУГЗУГ ГЗУГЗУГ ГЗУГЗУГ

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

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

Аланин - Аланин Ала - Цис - Лей Ала - Лей - Лей - Ала - Лей

A B C

Неприпокриващ се код Припокриващ се код

Ориз. 34. Диаграма, обясняваща наличието на незастъпващ се код в генома (обяснение в текста).

Неприпокриването на генетичния код е свързано с друго свойство - разчитането на информацията започва от определена точка - иницииращият сигнал. Такъв иницииращ сигнал в иРНК е кодонът, кодиращ метионин AUG.

Трябва да се отбележи, че хората все още имат малък брой гени, които се отклоняват от общо правилои се припокриват.

д. Компактност.

Между кодоните няма препинателни знаци. С други думи, триплетите не са разделени един от друг, например с един безсмислен нуклеотид. Експериментално е доказано отсъствието на „препинателни знаци” в генетичния код.

и. Универсалност.

Кодът е един и същ за всички организми, живеещи на Земята. Директно доказателство за универсалността на генетичния код беше получено чрез сравняване на ДНК последователности със съответните протеинови последователности. Оказа се, че всички бактериални и еукариотни геноми използват едни и същи набори от кодови стойности. Има изключения, но не много.

Първите изключения от универсалността на генетичния код са открити в митохондриите на някои животински видове. Това се отнася до терминаторния кодон UGA, който се чете по същия начин като кодона UGG, кодиращ аминокиселината триптофан. Открити са и други по-редки отклонения от универсалността.

МЗ. Генетичният код е система за записване на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина, базирана на определено редуване на нуклеотидни последователности в ДНК или РНК, които образуват кодони,

съответстващи на аминокиселините в протеина.Генетичният код има няколко свойства.

Когато е необходим протеинов синтез, една клетка се появява пред клетката. сериозен проблем– информацията в ДНК се съхранява като кодирана последователност 4 знака(нуклеотиди), а протеините се състоят от 20 различни герои (аминокиселини). Ако се опитате да използвате всичките четири символа наведнъж, за да кодирате аминокиселини, ще получите само 16 комбинации, докато протеиногенните аминокиселини са 20. Няма достатъчно...

Има пример за брилянтно мислене по този въпрос:

"Да вземем например тесте карти за игра, в който обръщаме внимание само на цвета на картата. Колко тройки от един и същи вид можете да получите? Четири, разбира се: тройка купа, тройка каро, тройка пика и тройка купа. Колко тройки има с две карти от една боя и една от различна боя? Да кажем, че имаме четири възможности за избор за третата карта. Следователно имаме 4x3 = 12 възможности. Освен това имаме четири тройки и с трите различни карти. И така, 4+12+4=20 и това е точно числоаминокиселини, които искахме да получим“ (Джордж Гамов, инж. Джордж Гамов, 1904-1968, съветски и американски физик-теоретик, астрофизик и популяризатор на науката).

Наистина, експериментите са доказали, че за всяка аминокиселина има два задължителни нуклеотида и трета променлива, по-малко специфична (“ люлеещ ефект"). Ако вземете три знака от четири, получавате 64 комбинации, което значително надвишава броя на аминокиселините. Така се установява, че всяка аминокиселина е кодирана от три нуклеотида. Това трио се нарича кодон. Както вече споменахме, има 64 опции. Три от тях не кодират никаква аминокиселина; това са така наречените " безсмислени кодони"(Френски) безсмислие- глупости) или "стоп кодони".

Генетичен код

Генетичният (биологичен) код е начин за кодиране на информация за структурата на протеините под формата на нуклеотидна последователност. Той е проектиран да превежда езика от четири знака на нуклеотидите (A, G, U, C) в езика от двадесет знака на аминокиселините. Има характерни черти:

• Тройка– три нуклеотида образуват кодон, който кодира аминокиселина. Има общо 61 сетивни кодона.
• Специфичност(или еднозначност) – всеки кодон отговаря само на една аминокиселина.
• Дегенерация– една аминокиселина може да съответства на няколко кодона.
• Универсалност– биологичният код е еднакъв за всички видове организми на Земята (в митохондриите на бозайниците обаче има изключения).
• Колинеарност– последователността на кодоните съответства на последователността на аминокиселините в кодирания протеин.
• Не препокриващи се– тройките не се припокриват, като са разположени една до друга.
• Без препинателни знаци– няма допълнителни нуклеотиди или други сигнали между триплетите.
• Еднопосочност– по време на протеиновия синтез кодоните се четат последователно, без прескачане или връщане назад.

Въпреки това е ясно, че биологичният код не може да се изрази без допълнителни молекули, които изпълняват преходна функция или функция на адаптера.

Адапторна роля на трансферните РНК

Трансферните РНК са единственият посредник между 4-буквената последователност на нуклеинова киселина и 20-буквената протеинова последователност.

Всяка трансферна РНК има специфична триплетна последователност в антикодоновата верига ( антикодон) и може да прикрепи само аминокиселина, която съответства на този антикодон. Именно наличието на един или друг антикодон в тРНК определя коя аминокиселина ще бъде включена в белтъчната молекула, т.к. нито рибозомата, нито иРНК разпознават аминокиселината.

По този начин, адапторна роля на тРНКе:

1. при специфично свързване с аминокиселини,
2. по-специално, според взаимодействието кодон-антикодон, свързване с иРНК,
3. и в резултат на това във включването на аминокиселини в протеиновата верига в съответствие с информацията в иРНК.

Добавянето на аминокиселина към tRNA се извършва от ензим аминоацил-тРНК синтетаза, който има специфичност за две съединения едновременно: всяка аминокиселина и съответната й тРНК. Реакцията изисква две високоенергийни ATP връзки. Аминокиселината се прикрепя към 3" края на tRNA акцепторната верига чрез нейната α-карбоксилна група и връзката между аминокиселината и tRNA става макроергичен. α-аминогрупата остава свободна.

Реакция на синтез на аминоацил-тРНК

Тъй като има около 60 различни тРНК, някои аминокиселини имат две или повече тРНК. Наричат ​​се различни тРНК, които добавят една и съща аминокиселина изоакцептор.

Лекция 5. Генетичен код

Дефиниция на понятието

Генетичният код е система за запис на информация за последователността на аминокиселините в протеините, използвайки последователността на нуклеотидите в ДНК.

Тъй като ДНК не участва пряко в протеиновия синтез, кодът е написан на езика на РНК. РНК съдържа урацил вместо тимин.

Свойства на генетичния код

1. Тройка

Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от 3 нуклеотида.

Определение: триплет или кодон е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина.

Кодът не може да бъде моноплетен, тъй като 4 (броят на различните нуклеотиди в ДНК) е по-малък от 20. Кодът не може да бъде дублетен, т.к. 16 (броят на комбинациите и пермутациите на 4 нуклеотида от 2) е по-малък от 20. Кодът може да бъде триплетен, т.к. 64 (броят на комбинациите и пермутациите от 4 до 3) е повече от 20.

2. Дегенерация.

Всички аминокиселини, с изключение на метионин и триптофан, са кодирани от повече от един триплет:

2 AK за 1 триплет = 2.

9 AK, по 2 тройки = 18.

1 AK 3 тройки = 3.

5 AK от 4 тройки = 20.

3 AK от 6 тройки = 18.

Общо 61 триплета кодират 20 аминокиселини.

3. Наличие на интергенни препинателни знаци.

определение:

ген - участък от ДНК, който кодира една полипептидна верига или една молекула тРНК, rРНК илиsRNA.

ГенитРНК, рРНК, sRNAпротеините не са кодирани.

В края на всеки ген, кодиращ полипептид, има поне един от 3 триплета, кодиращи РНК стоп кодони или стоп сигнали. В иРНК те имат следната форма: UAA, UAG, UGA . Те прекратяват (прекратяват) предаването.

Условно кодонът също принадлежи към препинателните знациАВГУСТ - първият след водещата последователност. (Виж Лекция 8) Функционира като главна буква. В това положение той кодира формилметионин (при прокариотите).

4. Еднозначност.

Всеки триплет кодира само една аминокиселина или е терминатор на транслацията.

Изключение прави кодонътАВГУСТ . При прокариотите на първа позиция (главна буква) кодира формилметионин, а на всяка друга позиция кодира метионин.

5. Компактност или липса на вътрешни препинателни знаци.
В рамките на един ген всеки нуклеотид е част от значим кодон.

През 1961 г. Сиймор Бензер и Франсис Крик експериментално доказаха триплетната природа на кода и неговата компактност.

Същността на експеримента: "+" мутация - вмъкване на един нуклеотид. "-" мутация - загуба на един нуклеотид. Една единствена мутация "+" или "-" в началото на гена разваля целия ген. Двойна мутация "+" или "-" също разваля целия ген.

Тройна “+” или “-” мутация в началото на гена разваля само част от него. Четворна мутация "+" или "-" отново разваля целия ген.

Експериментът го доказва Кодът се транскрибира и в гена няма препинателни знаци.Експериментът беше проведен върху два съседни фагови гена и показа в допълнение, наличие на препинателни знаци между гените.

6. Универсалност.

Генетичният код е един и същ за всички същества, живеещи на Земята.

През 1979 г. Burrell отваря врати идеаленкод на човешките митохондрии.

определение:

„Идеал“ е генетичен код, в който е спазено правилото за израждане на кода на квази-дублета: Ако в два триплета първите два нуклеотида съвпадат, а третите нуклеотиди принадлежат към един и същ клас (и двата са пурини или и двата са пиримидини) , тогава тези триплети кодират една и съща аминокиселина.

В универсалния кодекс има две изключения от това правило. И двете отклонения от идеалния код в универсалния се отнасят до фундаментални точки: началото и края на протеиновия синтез:

В метаболизма на тялото водеща роля принадлежи към протеините и нуклеиновите киселини.
Протеиновите вещества формират основата на всички жизненоважни клетъчни структури, имат необичайно висока реактивност и са надарени с каталитични функции.
Нуклеиновите киселини са част от най-важния орган на клетката - ядрото, както и цитоплазмата, рибозомите, митохондриите и др. Нуклеиновите киселини играят важна, първостепенна роля в наследствеността, изменчивостта на тялото и синтеза на протеини.

Планирайтесинтез протеинът се съхранява в клетъчното ядро, а директният синтез се извършва извън ядрото, така че е необходимо услуга за доставкакодиран план от ядрото до мястото на синтеза. Тази услуга за доставка се извършва от РНК молекули.

Процесът започва при сърцевина клетки: част от „стълбата“ на ДНК се развива и отваря. Благодарение на това РНК буквите образуват връзки с отворените ДНК букви на една от ДНК веригите. Ензимът прехвърля буквите на РНК, за да ги свърже във верига. Ето как буквите на ДНК се „пренаписват“ в буквите на РНК. Новообразуваната РНК верига се разделя и ДНК „стълбата“ се извива отново. Процесът на четене на информация от ДНК и нейното синтезиране с помощта на нейната РНК матрица се нарича транскрипция , а синтезираната РНК се нарича информационна или тРНК .

След допълнителни модификации този тип кодирана иРНК е готова. тРНК излиза от ядротои отива до мястото на протеинов синтез, където се дешифрират буквите на иРНК. Всеки набор от три i-RNA букви образува „буква“, която представлява една специфична аминокиселина.

Друг тип РНК открива тази аминокиселина, улавя я с помощта на ензим и я доставя до мястото на протеиновия синтез. Тази РНК се нарича трансферна РНК или т-РНК. Тъй като иРНК съобщението се чете и превежда, веригата от аминокиселини нараства. Тази верига е усукана и положена уникална форма, създавайки един вид протеин. Дори процесът на сгъване на протеини е забележителен: нужен е компютър, за да изчисли всичко настроикисгъването на протеин със среден размер, състоящ се от 100 аминокиселини, ще отнеме 1027 (!) години. И отнема не повече от една секунда, за да се образува верига от 20 аминокиселини в тялото и този процес протича непрекъснато във всички клетки на тялото.

Гени, генетичен код и неговите свойства.

На Земята живеят около 7 милиарда души. Освен 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, генетично всички хора са различни : всеки е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности и темперамент.

Тези разлики са обяснени различия в генотипите- набори от гени на организма; Всеки един е уникален. Въплъщават се генетичните характеристики на определен организъм в протеини - следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и много малко, от протеина на друг човек.

Това не означаваче няма двама души с напълно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или да се различават само леко с една или две аминокиселини един от друг. Но не съществува на Земята от хора (с изключение на еднояйчните близнаци), които биха имали всичките им протеини са същите .

Информация за първичната структура на протеинакодиран като последователност от нуклеотиди в част от ДНК молекула, ген – единица наследствена информация на организъм. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на един организъм го съставлява генотип . По този начин,

Генът е единица наследствена информация на организъм, която съответства на отделен участък от ДНК

Кодирането на наследствената информация се извършва с помощта на генетичен код , който е универсален за всички организми и се различава само по редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодират протеини на конкретни организми.

Генетичен код се състои от триплети (триплети) от ДНК нуклеотиди, комбинирани в различни последователности (AAT, HCA, ACG, THC и др.), всяка от които кодира специфична аминокиселина (която ще бъде вградена в полипептидната верига).

Всъщност код брои последователност от нуклеотиди в иРНК молекула , защото той премахва информация от ДНК (процес транскрипции ) и го превежда в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезираните протеини (процесът излъчвания ).
В състава на тРНК влизат нуклеотидите A-C-G-U, чиито триплети се наричат кодони : триплет на ДНК CGT върху i-RNA ще стане триплет GCA, а триплет ДНК AAG ще стане триплет UUC. Точно иРНК кодони генетичният код е отразен в записа.

По този начин, генетичен код - една системазапис на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина под формата на последователност от нуклеотиди . Генетичният код се основава на използването на азбука, състояща се само от четири букви-нуклеотиди, разграничени от азотни основи: A, T, G, C.

Основни свойства на генетичния код:

1. Генетичен код триплет. Триплет (кодон) е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина. Тъй като протеините съдържат 20 аминокиселини, очевидно е, че всяка от тях не може да бъде кодирана от един нуклеотид ( Тъй като в ДНК има само четири вида нуклеотиди, в този случай 16 аминокиселини остават некодирани). Два нуклеотида също не са достатъчни за кодиране на аминокиселини, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 16 аминокиселини. означава, най-малкото числоТрябва да има поне три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина. В този случай броят на възможните нуклеотидни триплети е 43 = 64.

2. Излишък (дегенерация)Кодът е следствие от неговата триплетна природа и означава, че една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (тъй като има 20 аминокиселини и 64 триплета), с изключение на метионин и триптофан, които са кодирани само от един триплет. В допълнение, някои триплети изпълняват специфични функции: в молекулата на иРНК триплетите UAA, UAG, UGA са стоп кодони, т.е. Спри се-сигнали, които спират синтеза на полипептидната верига. Триплетът, съответстващ на метионин (AUG), разположен в началото на ДНК веригата, не кодира аминокиселина, но изпълнява функцията на иницииране (възбуждащо) четене.

3. Еднозначност код - в същото време като излишък, кодът има свойството еднозначност : всеки кодон съвпада само единопределена аминокиселина.

4. Колинеарност код, т.е. нуклеотидна последователност в ген точносъответства на последователността на аминокиселините в протеина.

5. Генетичен код без припокриване и компактност , т.е. не съдържа „препинателни знаци“. Това означава, че процесът на четене не позволява възможността за припокриване на колони (триплети) и, започвайки от определен кодон, четенето продължава непрекъснато, триплет след триплет, докато Спри се-сигнали ( стоп кодони).

6. Генетичен код универсален , т.е. ядрените гени на всички организми кодират информация за протеините по един и същи начин, независимо от нивото на организация и системното положение на тези организми.

Съществуват таблици с генетичен код за дешифриране кодони иРНК и изграждане на вериги от белтъчни молекули.

Реакции на матричен синтез.

Реакции, непознати в живите системи, възникват в живите системи. нежива природа - реакции на матричен синтез.

Терминът "матрица"в технологията те обозначават матрица, използвана за отливане на монети, медали и типографски шрифтове: закаленият метал точно възпроизвежда всички детайли на матрицата, използвана за отливане. Матричен синтезнаподобява отливане върху матрица: новите молекули се синтезират в точно съответствие с плана, заложен в структурата на съществуващите молекули.

Принципът на матрицата се крие в основатанай-важните синтетични реакции на клетката, като синтеза на нуклеинови киселини и протеини. Тези реакции осигуряват точната, строго специфична последователност на мономерните звена в синтезираните полимери.

Тук се извършват насочени действия. издърпване на мономери до определено мястоклетки - в молекули, които служат като матрица, където протича реакцията. Ако такива реакции възникнат в резултат на произволни сблъсъци на молекули, те ще протичат безкрайно бавно. Синтезът на сложни молекули на принципа на шаблона се извършва бързо и точно. Ролята на матрицата макромолекулите на нуклеиновите киселини играят в матрични реакции ДНК или РНК .

Мономерни молекулиот които се синтезира полимерът - нуклеотиди или аминокиселини - в съответствие с принципа на комплементарността, са разположени и фиксирани върху матрицата в строго определен, определен ред.

Тогава се случва "омрежване" на мономерни единици в полимерна веригаи готовият полимер се изхвърля от матрицата.

След това матрицата е готовакъм сглобяването на нова полимерна молекула. Ясно е, че както върху даден калъп може да се отлее само една монета или една буква, така и върху дадена матрична молекула може да се „сглоби“ само един полимер.

Матричен тип реакция- специфична особеност на химията на живите системи. Те са в основата на основното свойство на всички живи същества - способността му да възпроизвежда себеподобните си.

Реакции на шаблонен синтез

1. репликация на ДНК - репликация (от латински replicatio - подновяване) - процесът на синтез на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеинова киселина върху матрицата на родителската ДНК молекула. По време на последващото делене на майчината клетка всяка дъщерна клетка получава едно копие на ДНК молекула, която е идентична с ДНК на оригиналната майчина клетка. Този процес гарантира, че генетичната информация се предава точно от поколение на поколение. Репликацията на ДНК се осъществява от сложен ензимен комплекс, състоящ се от 15-20 различни протеина, т.нар. репликома . Материалът за синтеза е свободните нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките. Биологичният смисъл на репликацията се състои в точното предаване на наследствена информация от майчината молекула към дъщерните молекули, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.

Молекулата на ДНК се състои от две допълващи се вериги. Тези вериги се държат заедно чрез слаби водородни връзки, които могат да бъдат разкъсани от ензими. Молекулата на ДНК е способна на самодупликация (репликация) и върху всяка стара половина на молекулата се синтезира нова половина.
В допълнение, молекула иРНК може да бъде синтезирана върху молекула ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, до мястото на синтез на протеини.

Трансферът на информация и протеиновият синтез протичат на матричен принцип, сравним с работата печатна пресав печатницата. Информацията от ДНК се копира многократно. Ако възникнат грешки по време на копирането, те ще се повторят във всички следващи копия.

Вярно е, че някои грешки при копиране на информация с ДНК молекула могат да бъдат коригирани - процесът на отстраняване на грешки се нарича репарация. Първата от реакциите в процеса на пренос на информация е репликацията на молекулата на ДНК и синтеза на нови вериги на ДНК.

2. Транскрипция (от латински transcriptio - пренаписване) - процесът на синтез на РНК с помощта на ДНК като матрица, протичащ във всички живи клетки. С други думи, това е трансфер на генетична информация от ДНК към РНК.

Транскрипцията се катализира от ензима ДНК-зависима РНК полимераза. РНК полимеразата се движи по дължината на ДНК молекулата в посока 3" → 5". Транскрипцията се състои от етапи начало, удължаване и завършване . Единицата на транскрипция е оперон, фрагмент от ДНК молекула, състоящ се от промоутър, транскрибирана част и терминатор . иРНК се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност с участието на ензим, който активира началото и края на синтеза на молекулата на иРНК.

Готовата молекула на иРНК навлиза в цитоплазмата върху рибозомите, където се извършва синтеза на полипептидни вериги.

3. Излъчване (от лат. превод- трансфер, движение) - процесът на синтез на протеини от аминокиселини върху матрица от информационна (пратеска) РНК (mRNA, mRNA), извършван от рибозомата. С други думи, това е процесът на транслиране на информацията, съдържаща се в последователността от нуклеотиди на иРНК в последователността от аминокиселини в полипептида.

4. Обратна транскрипция е процес на образуване на двойноверижна ДНК въз основа на информация от едноверижна РНК. Този процессе нарича обратна транскрипция, тъй като трансферът на генетична информация се извършва в "обратна" посока спрямо транскрипцията. Идеята за обратна транскрипция първоначално беше много непопулярна, защото противоречи на централната догма на молекулярната биология, която приема, че ДНК се транскрибира в РНК и след това се превежда в протеини.

Въпреки това през 1970 г. Темин и Балтимор независимо един от друг откриват ензим, наречен обратна транскриптаза (ревертаза) , и възможността за обратна транскрипция най-накрая беше потвърдена. През 1975 г. Темин и Балтимор са наградени Нобелова наградав областта на физиологията и медицината. Някои вируси (като вируса на човешката имунна недостатъчност, който причинява HIV инфекция) имат способността да транскрибират РНК в ДНК. ХИВ има РНК геном, който е интегриран в ДНК. В резултат на това ДНК на вируса може да се комбинира с генома на клетката гостоприемник. Основният ензим, отговорен за синтеза на ДНК от РНК, се нарича реверс. Една от функциите на reversease е да създава комплементарна ДНК (cDNA) от вирусния геном. Свързаният ензим рибонуклеаза разцепва РНК и обратното синтезиране синтезира сДНК от двойната спирала на ДНК. cDNA се интегрира в генома на клетката гостоприемник чрез интеграза. Резултатът е синтез на вирусни протеини от клетката гостоприемник, които образуват нови вируси. При ХИВ се програмира и апоптоза (клетъчна смърт) на Т-лимфоцитите. В други случаи клетката може да остане разпространител на вируси.

Последователността на реакциите на матрицата по време на биосинтеза на протеини може да бъде представена под формата на диаграма.

По този начин, протеинова биосинтеза- това е един от видовете пластичен обмен, по време на който наследствената информация, кодирана в ДНК гените, се внедрява в специфична последователност от аминокиселини в протеинови молекули.

Протеиновите молекули са по същество полипептидни веригиизградени от отделни аминокиселини. Но аминокиселините не са достатъчно активни, за да се комбинират една с друга сами. Следователно, преди да се комбинират помежду си и да образуват протеинова молекула, аминокиселините трябва активирате . Това активиране става под действието на специални ензими.

В резултат на активирането аминокиселината става по-лабилна и под действието на същия ензим се свързва с t- РНК. Всяка аминокиселина съответства на строго специфичен t- РНК, който намира „своята“ аминокиселина и трансферив рибозомата.

Следователно различни активирани аминокиселини, комбинирани със собствените им T- РНК. Рибозомата е като конвейерда сглоби протеинова верига от различни аминокиселини, доставени към нея.

Едновременно с t-RNA, върху която „седи“ собствената му аминокиселина, „ сигнал„от ДНК, която се съдържа в ядрото. В съответствие с този сигнал в рибозомата се синтезира един или друг протеин.

Насочващото влияние на ДНК върху протеиновия синтез не се осъществява директно, а с помощта на специален посредник - матрицаили информационна РНК (m-RNAили тРНК), който синтезирани в ядрото e под влиянието на ДНК, така че неговият състав отразява състава на ДНК. Молекулата на РНК е като отливка от формата на ДНК. Синтезираната иРНК навлиза в рибозомата и като че ли я прехвърля в тази структура план- в какъв ред трябва да се комбинират активираните аминокиселини, постъпващи в рибозомата, за да се синтезира определен протеин? В противен случай, генетична информациякодиран в ДНК се предава на иРНК и след това на протеин.

Молекулата на иРНК навлиза в рибозомата и шевовенея. Този сегмент от него, който е в този моментв рибозомата, дефинирана кодон (триплет), взаимодейства по напълно специфичен начин с тези, които са структурно подобни на него триплет (антикодон)в трансферната РНК, която пренася аминокиселината в рибозомата.

Трансферната РНК със своята аминокиселина съвпада със специфичен кодон на иРНК и свързвас него; към следващия, съседен участък от иРНК добавя се друга тРНК с различна аминокиселинаи така нататък, докато се прочете цялата верига на i-RNA, докато всички аминокиселини се редуцират в съответния ред, образувайки протеинова молекула. И тРНК, която доставя аминокиселината до специфична част от полипептидната верига, освободен от своята аминокиселинаи излиза от рибозомата.

След това, отново в цитоплазмата, желаната аминокиселина може да се присъедини към нея и отново да я прехвърли към рибозомата. В процеса на синтез на протеини участват едновременно не една, а няколко рибозоми - полирибозоми.

Основните етапи на трансфера на генетична информация:

1. Синтез върху ДНК като шаблон за иРНК (транскрипция)
2. Синтез на полипептидна верига в рибозомите според програмата, съдържаща се в иРНК (транслация) .

Етапите са универсални за всички живи същества, но времевите и пространствени отношения на тези процеси се различават при про- и еукариотите.

U прокариоттранскрипцията и транслацията могат да се появят едновременно, тъй като ДНК се намира в цитоплазмата. U еукариотитранскрипцията и транслацията са строго разделени в пространството и времето: синтезът на различни РНК се извършва в ядрото, след което молекулите на РНК трябва да напуснат ядрото, преминавайки през ядрената мембрана. След това РНК се транспортират в цитоплазмата до мястото на протеинов синтез.