GENETIKAI KÓD, rögzítő rendszer örökletes információk DNS-molekulákban (egyes vírusokban - RNS) lévő nukleotid bázisok szekvenciája formájában, amely meghatározza a fehérjemolekulák (polipeptidek) elsődleges szerkezetét (aminosav-maradékok elrendezését). Probléma genetikai kód A DNS genetikai szerepének bizonyítása (amerikai mikrobiológusok, O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) és szerkezetének megfejtése (J. Watson, F. Crick, 1953) után fogalmazták meg, miután megállapították, hogy a gének határozzák meg a szerkezetet, ill. az enzimek funkciói (az „egy gén – egy enzim” elve, J. Beadle és E. Tatem, 1941), és hogy a fehérje térbeli szerkezete és aktivitása függ az elsődleges szerkezetétől (F. Senger, 1955). ). G. Gamow vetette fel először 1954-ben azt a kérdést, hogy 4 bázis nukleinsav kombinációi hogyan határozzák meg a 20 közös aminosav váltakozását a polipeptidekben.
Egy kísérlet alapján, amelyben egy nukleotidpár inszerciójának és deléciójának kölcsönhatásait vizsgálták, a T4 bakteriofág egyik génjében F. Crick és más tudósok 1961-ben megállapították általános tulajdonságok genetikai kód: triplett, azaz a polipeptidláncban minden aminosav egy három bázisból (triplett vagy kodon) álló halmaznak felel meg a gén DNS-ében; a génen belüli kodonok olvasása fix pontból, egy irányban és "vessző nélkül" történik, vagyis a kodonokat semmilyen előjel nem választja el egymástól; degeneráció, vagy redundancia, - ugyanaz az aminosav több kodont (szinonim kodont) kódolhat. A szerzők azt javasolták, hogy a kodonok nem fedik át egymást (minden bázis csak egy kodonhoz tartozik). A tripletek kódoló képességének közvetlen vizsgálatát egy sejtmentes fehérjeszintézis rendszerrel folytattuk, szintetikus hírvivő RNS (mRNS) irányítása alatt. 1965-re a genetikai kódot teljesen megfejtették S. Ochoa, M. Nirenberg és H. G. Korana munkáiban. A genetikai kód rejtélyének megfejtése a XX. század biológiájának egyik kiemelkedő vívmánya volt.
A genetikai kód megvalósítása a sejtben két mátrixfolyamat – a transzkripció és a transzláció – során történik. A gén és a fehérje közötti közvetítő az mRNS, amely az egyik DNS-szálon a transzkripció során képződik. Ebben az esetben a fehérje elsődleges szerkezetére vonatkozó információkat hordozó DNS-bázisszekvencia mRNS bázisszekvenciává "átíródik". Ezután a riboszómákon történő transzláció során az mRNS nukleotidszekvenciáját a transzfer RNS (tRNS) olvassa le. Ez utóbbiaknak van egy akceptor vége, amelyhez egy aminosav kapcsolódik, és egy adaptervég vagy triplet antikodon, amely felismeri a megfelelő mRNS kodont. A kodon és az antikodon kölcsönhatása komplementer bázispárosodás alapján megy végbe: Adenin (A) - Uracil (U), Guanin (G) - Citozin (C); ebben az esetben az mRNS bázisszekvenciája a szintetizált fehérje aminosavszekvenciájává transzlálódik. Különféle organizmusok különböző kodonokat-szinonimákat használjunk ugyanarra az aminosavra, különböző gyakorisággal. A polipeptid láncot kódoló mRNS leolvasása a metionin aminosavnak megfelelő AUG kodonból indul (kezdődik). Ritkábban prokariótákban az iniciáló kodonok a GUG (valin), UUG (leucin), AUU (izoleucin), eukariótákban - UUG (leucin), AUA (izoleucin), ACG (treonin), CUG (leucin). Ez beállítja az úgynevezett leolvasási keretet vagy fázist a transzláció során, vagyis az mRNS teljes nukleotidszekvenciáját a tRNS hármasán, hármasánként leolvassák, amíg a három terminátorkodon, gyakran stopkodonnak nevezett bármelyike meg nem találja a mRNS: UAA, UAG, UGA (táblázat). Ezeknek a tripletteknek a leolvasása a polipeptidlánc szintézisének befejezéséhez vezet.
Az AUG és stop kodon a polipeptideket kódoló mRNS-régiók elején, illetve végén található.
A genetikai kód kvázi univerzális. Ez azt jelenti, hogy a különböző objektumokban néhány kodon jelentésében kis eltérések vannak, és ez mindenekelőtt a terminátorkodonokra vonatkozik, amelyek jelentősek lehetnek; például egyes eukarióták mitokondriumaiban és a mikoplazmákban az UGA triptofánt kódol. Ezenkívül a baktériumok és eukarióták egyes mRNS-eiben az UGA egy szokatlan aminosavat, a szelenociszteint, az egyik archaebaktériumban pedig az UAG pirrolizint kódol.
Van egy álláspont, amely szerint a genetikai kód véletlenül keletkezett (a „befagyott eset” hipotézise). Valószínűbb, hogy fejlődött. Ezt a feltételezést támasztja alá, hogy létezik egy egyszerűbb és látszólag ősibb kódváltozat, amelyet a mitokondriumokban a „háromból kettő” szabály szerint olvasnak be, amikor is a triplett három bázisából csak kettő határozza meg az aminocsoportot. sav.
Lit.: Crick F. N. a. ról ről. A fehérjék genetikai kódjának általános jellege // Természet. 1961. évf. 192; A genetikai kód. N.Y., 1966; Ichas M. Biológiai kód. M., 1971; Inge-Vechtomov S. G. A genetikai kód olvasása: szabályok és kivételek // Modern természettudomány. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. A genetikai kód mint rendszer // Soros Educational Journal. 2000. V. 6. 3. sz.
S. G. Inge-Vechtomov.
5. előadás Genetikai kód
A genetikai kód egy rendszer a fehérjék aminosav-szekvenciájára vonatkozó információk rögzítésére a DNS-ben található nukleotidszekvencia segítségével.
Mivel a DNS közvetlenül nem vesz részt a fehérjeszintézisben, a kódot az RNS nyelvén írják. Az RNS timin helyett uracilt tartalmaz.
A genetikai kód tulajdonságai
1. Hármasság
Minden aminosavat 3 nukleotidból álló szekvencia kódol.
Definíció: A triplett vagy kodon három nukleotidból álló szekvencia, amely egy aminosavat kódol.
A kód nem lehet monoplet, mivel a 4 (a DNS különböző nukleotidjainak száma) kevesebb, mint 20. A kód nem lehet dublett, mert 16 (4 nukleotid kombinációinak és permutációinak száma 2-vel) kevesebb, mint 20. A kód lehet triplett, mert 64 (a kombinációk és permutációk száma 4-től 3-ig) nagyobb, mint 20.
2. Degeneráltság.
A metionin és a triptofán kivételével minden aminosavat egynél több hármas kódol:
2 AK 1 hármasért = 2.
9 AK x 2 hármas = 18.
1 AK 3 hármas = 3.
5 AK x 4 hármas = 20.
3 AK x 6 hármas = 18.
Összesen 61 hármas kódol 20 aminosavat.
3. Intergénikus írásjelek jelenléte.
Meghatározás:
Gén egy DNS-szegmens, amely egy polipeptidláncot vagy egy molekulát kódol tPHK, rRNS illsPHK.
GénektPHK, rPHK, sPHKa fehérjék nem kódolnak.
Minden polipeptidet kódoló gén végén legalább egy van a 3 triplett közül, amely RNS stopkodonokat vagy stopszignálokat kódol. Az mRNS-ben így néznek ki: UAA, UAG, UGA . Leállítják (befejezik) az adást.
Hagyományosan a kodon az írásjelekre is vonatkozik AUGUSZTUS - a vezető sorozat utáni első. (Lásd 8. előadás) A nagybetű funkcióját látja el. Ebben a helyzetben a formil-metionint kódolja (prokariótákban).
4. Egyediség.
Minden triplett csak egy aminosavat kódol, vagy transzlációs terminátor.
A kivétel a kodon AUGUSZTUS . Az első helyen lévő prokariótákban ( nagybetű) a formil-metionint kódolja, és bármely más esetben a metionint kódolja.
5. Kompaktság vagy az intragenikus írásjelek hiánya.
Egy génen belül minden nukleotid egy jelentős kodon része.
1961-ben Seymour Benzer és Francis Crick kísérletileg bebizonyították, hogy a kód hármas és kompakt.
A kísérlet lényege: "+" mutáció - egy nukleotid beillesztése. "-" mutáció - egy nukleotid elvesztése. Egyetlen "+" vagy "-" mutáció a gén elején az egész gént megrontja. A kettős "+" vagy "-" mutáció is elrontja az egész gént.
A gén elején található hármas "+" vagy "-" mutáció csak egy részét rontja el. A négyszeres "+" vagy "-" mutáció ismét elrontja az egész gént.
A kísérlet is ezt bizonyítja a kód hármas, és a gén belsejében nincsenek írásjelek. A kísérletet két szomszédos fággénen végezték, és ezen kívül kimutatták, írásjelek jelenléte a gének között.
6. Sokoldalúság.
A genetikai kód ugyanaz a Földön élő összes lény számára.
1979-ben megnyílt a Burrell ideál emberi mitokondriális kód.
Meghatározás:
Az „ideális” az a genetikai kód, amelyben teljesül a kvázi-kettős kód degeneráltságának szabálya: Ha két hármasban az első két nukleotid egybeesik, és a harmadik nukleotid ugyanabba az osztályba tartozik (mindkettő purin vagy mindkettő pirimidinek) , akkor ezek a tripletek ugyanazt az aminosavat kódolják.
Ez alól az általános kódban két kivétel van. Mindkét eltérés az univerzális ideális kódtól az alapvető pontokhoz kapcsolódik: a fehérjeszintézis kezdetéhez és végéhez:
kodon | Egyetemes a kód | Mitokondriális kódok |
|||
Gerincesek | Gerinctelenek | Élesztő | Növények |
||
ÁLLJ MEG | ÁLLJ MEG |
||||
UA-val | |||||
A G A | ÁLLJ MEG | ||||
ÁLLJ MEG | 230 szubsztitúció nem változtatja meg a kódolt aminosav osztályát. a kitéphetőséghez. 1956-ban Georgij Gamov az átlapolt kód egy változatát javasolta. A Gamow-kód szerint minden egyes nukleotid, a génben a harmadiktól kezdve, 3 kodon része. A genetikai kód megfejtésekor kiderült, hogy nem átfedő, pl. minden nukleotid csak egy kodon része. Az átlapolt genetikai kód előnyei: tömörség, a fehérje szerkezetének kisebb függősége a nukleotid inszerciójától vagy deléciójától. Hátránya: a fehérje szerkezetének erős függése a nukleotid szubsztitúciótól és a szomszédok restrikciójától. 1976-ban megszekvenálták a φX174 fág DNS-ét. Egyszálú, 5375 nukleotidból álló, körkörös DNS-sel rendelkezik. A fágról ismert volt, hogy 9 fehérjét kódol. Közülük 6 esetében az egymás után elhelyezkedő géneket azonosították. Kiderült, hogy van átfedés. Az E gén teljesen a génen belül van D . Kezdőkodonja egy nukleotid eltolódás eredményeként jelenik meg a leolvasásban. Gén J ott kezdődik, ahol a gén véget ér D . Géniniciációs kodon J átfedésben van a gén terminációs kodonjával D két nukleotid eltolódása miatt. Az elrendezést "olvasási kereteltolásnak" nevezik, ha a nukleotidok száma nem a három többszöröse. A mai napig csak néhány fág esetében mutatták az átfedést. A DNS információs kapacitása 6 milliárd ember él a Földön. Örökletes információk róluk 4x10 13 könyvoldal. Ezek az oldalak 6 NSU épület helyét foglalnák el. 6x10 9 spermium veszi el a gyűszű felét. DNS-ük kevesebb, mint egy gyűszű negyedét foglalja el. | ||||
A genetikai kód alatt olyan jelrendszert szokás érteni, amely a nukleotidvegyületek DNS-ben és RNS-ben való egymás utáni elrendeződését jelzi, amely egy másik jelrendszernek felel meg, amely egy fehérjemolekulában jeleníti meg az aminosav-vegyületek sorrendjét.
Fontos!
Amikor a tudósoknak sikerült tanulmányozniuk a genetikai kód tulajdonságait, az egyetemességet az egyik főnek ismerték el. Igen, bármilyen furcsán is hangzik, mindent egyetlen, univerzális, közös genetikai kód egyesít. Hosszú időn keresztül alakult ki, és a folyamat körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt ért véget. Ezért a kód felépítésében nyomon követhetőek fejlődésének nyomai, a keletkezésétől a Ma.
Amikor a genetikai kód elemeinek sorrendjéről beszélünk, ez azt jelenti, hogy az távolról sem kaotikus, hanem szigorúan meghatározott sorrendje van. És ez nagyban meghatározza a genetikai kód tulajdonságait is. Ez egyenértékű a betűk és szótagok elrendezésével a szavakban. Érdemes megtörni a megszokott rendet, és a legtöbb, amit könyvek vagy újságok lapjain fogunk olvasni, nevetséges halandzsá válik.
A genetikai kód alapvető tulajdonságai
Általában a kód speciális módon titkosítva tartalmaz bizonyos információkat. A kód megfejtéséhez tudnia kell megkülönböztető jellegzetességek.
Tehát a genetikai kód fő tulajdonságai a következők:
Nézzük meg közelebbről az egyes ingatlanokat.
1. Hármasság
Ekkor három nukleotid vegyület alkot egy szekvenciális láncot egy molekulán belül (azaz DNS-en vagy RNS-en). Ennek eredményeként egy triplett vegyület jön létre, vagy kódolja az egyik aminosavat, annak helyét a peptidláncban.
A kodonokat (ezek kódszavak!) a kapcsolódási sorrendjük és a hozzájuk tartozó nitrogéntartalmú vegyületek (nukleotidok) típusa alapján különböztetjük meg.
A genetikában 64 kodontípust szokás megkülönböztetni. Ezek kombinációit alkothatják négy fajta egyenként 3 nukleotid. Ez egyenértékű a 4-es szám harmadik hatványra emelésével. Így 64 nukleotid kombinációk kialakítása lehetséges.
2. A genetikai kód redundanciája
Ez a tulajdonság akkor figyelhető meg, ha egy aminosav titkosításához több kodonra van szükség, általában 2-6 között. És csak a triptofán kódolható egyetlen triplettel.
3. Egyediség
A genetikai kód tulajdonságai között szerepel, mint az egészséges génöröklődés indikátora. Például a lánc hatodik helyén álló GAA triplett elmondhatja az orvosoknak a vér jó állapotáról, a normál hemoglobinról. Ő az, aki információt hordoz a hemoglobinról, és azt is ő kódolja.És ha valaki vérszegény, akkor az egyik nukleotidot a kód másik betűje helyettesíti - U, ami a betegség jele.
4. Folytonosság
A genetikai kód ezen tulajdonságának megírásakor emlékezni kell arra, hogy a kodonok, mint a láncszemek, nem egymástól távol, hanem közvetlen közelségben helyezkednek el, egymás után a nukleinsavláncban, és ez a lánc nem szakad meg. nincs eleje és vége.
5. Sokoldalúság
Soha nem szabad elfelejteni, hogy a Földön mindent egy közös genetikai kód egyesít. És ezért egy főemlősben és egy emberben, egy rovarban és egy madárban, egy százéves baobabban és egy fűszálban, amely alig kelt ki a földből, hasonló aminosavakat kódolnak azonos hármasok.
A génekben tárolódnak az alapvető információk az élőlény tulajdonságairól, egyfajta program, amelyet a szervezet a korábban éltektől örököl, és amely genetikai kódként létezik.
Gén- az öröklődés szerkezeti és funkcionális egysége, amely egy adott tulajdonság vagy tulajdonság fejlődését irányítja. A szülők egy sor gént adnak át utódaiknak a szaporodás során. A gén vizsgálatához nagyban hozzájárultak orosz tudósok: Simashkevich E.A., Gavrilova Yu.A., Bogomazova O.V. (2011)
Jelenleg, in molekuláris biológia megállapították, hogy a gének olyan DNS-szakaszok, amelyek bármilyen integrált információt hordoznak - egy fehérje molekula vagy egy RNS molekula szerkezetéről. Ezek és más funkcionális molekulák határozzák meg a szervezet fejlődését, növekedését és működését.
Ugyanakkor minden gént számos specifikus szabályozó DNS szekvencia, például promoter jellemez, amelyek közvetlenül részt vesznek a gén expressziójának szabályozásában. A szabályozó szekvenciák elhelyezkedhetnek akár a fehérjét kódoló nyitott leolvasási keret közvetlen közelében, akár az RNS szekvencia elején, ahogy az a promótereknél (ún. cis cisz-szabályozó elemek), és sok millió bázispár (nukleotid) távolságra, mint az enhanszerek, szigetelők és szupresszorok (néha az ford-szabályozási elemek transzregulációs elemek). Így a gén fogalma nem korlátozódik a DNS kódoló régiójára, hanem egy tágabb fogalom, amely magában foglalja a szabályozó szekvenciákat is.
Eredetileg a kifejezés gén diszkrét örökletes információk továbbításának elméleti egységeként jelent meg. A biológia története emlékezik a vitákra arról, hogy mely molekulák lehetnek örökletes információhordozók. A legtöbb kutató úgy vélte, hogy csak a fehérjék lehetnek ilyen hordozók, mivel szerkezetük (20 aminosav) több lehetőséget kínál, mint a DNS szerkezete, amely mindössze négyféle nukleotidból áll. Később kísérletileg bebizonyosodott, hogy a DNS tartalmazza az örökletes információt, amelyet a molekuláris biológia központi dogmájaként fejeztek ki.
A gének mutációkon eshetnek át - véletlenszerű vagy szándékos változások a DNS-lánc nukleotidszekvenciájában. A mutációk a szekvencia megváltozásához, így egy fehérje vagy RNS biológiai jellemzőinek megváltozásához vezethetnek, ami viszont a szervezet általános vagy lokális megváltozott vagy abnormális működését eredményezheti. Az ilyen mutációk bizonyos esetekben kórokozók, mivel eredményük betegség vagy embrionális szinten halálos. Azonban a nukleotidszekvencia nem minden változása vezet a fehérje szerkezetének megváltozásához (a genetikai kód degenerációjának hatására), vagy a szekvencia jelentős változásához, és nem patogén. Különösen az emberi genomot egyetlen nukleotid polimorfizmusok és kópiaszám-variációk jellemzik. példányszám-variációk), például deléciók és duplikációk, amelyek a teljes humán nukleotidszekvencia körülbelül 1%-át teszik ki. Az egynukleotidos polimorfizmusok különösen ugyanazon gén különböző alléljait határozzák meg.
A DNS egyes szálait alkotó monomerek összetettek szerves vegyületek, beleértve a nitrogéntartalmú bázisokat is: adenin (A) vagy timin (T) vagy citozin (C) vagy guanin (G), egy ötatomos cukor-pentóz-dezoxiribóz, amelyről magát a DNS-t is elnevezték, valamint egy foszforsav-maradékot. Ezeket a vegyületeket nukleotidoknak nevezzük.
Gén tulajdonságai
Osztályozás
Genetikai kód- minden élő szervezetben rejlő módszer a fehérjék aminosavszekvenciájának kódolására nukleotidszekvencia segítségével.
A DNS-ben négy nukleotidot használnak: adenint (A), guanint (G), citozint (C), timint (T), amelyeket az orosz nyelvű irodalomban A, G, C és T betűkkel jelölnek. Ezek a betűk alkotják a genetikai kód ábécéje. Az RNS-ben ugyanazokat a nukleotidokat használják, kivéve a timint, amelyet egy hasonló nukleotid - uracil - helyettesít, amelyet U betű (az orosz nyelvű irodalomban U) jelöl. A DNS- és RNS-molekulákban a nukleotidok láncokba sorakoznak, és így genetikai betűszekvenciák keletkeznek.
Genetikai kód
A természetben 20 különböző aminosavat használnak fehérjék felépítésére. Minden fehérje egy lánc vagy több aminosavlánc egy szigorúan meghatározott sorrendben. Ez a szekvencia határozza meg a fehérje szerkezetét, és így az egészét biológiai tulajdonságait. Az aminosavkészlet szintén univerzális szinte minden élő szervezet számára.
A genetikai információ élő sejtekben való megvalósítása (vagyis egy gén által kódolt fehérje szintézise) két mátrixfolyamat segítségével történik: transzkripció (vagyis az mRNS szintézise egy DNS-sablonon) és a genetikai kód transzlációja. aminosav szekvenciába (polipeptid lánc szintézise mRNS-en). Három egymást követő nukleotid elegendő 20 aminosav kódolásához, valamint a stop jel, ami a fehérjeszekvencia végét jelenti. A három nukleotidból álló halmazt triplettnek nevezzük. Az aminosavaknak és kodonoknak megfelelő elfogadott rövidítések az ábrán láthatók.
Tulajdonságok
A fehérje bioszintézis és lépései
Fehérje bioszintézis- az élő szervezetek sejtjeinek riboszómáin mRNS- és tRNS-molekulák részvételével létrejövő polipeptidlánc aminosav-maradékokból történő szintézisének összetett, többlépcsős folyamata.
A fehérje bioszintézis transzkripciós, feldolgozási és transzlációs szakaszokra osztható. A transzkripció során a DNS-molekulákban kódolt genetikai információ beolvasásra kerül, és ezt az információt mRNS-molekulákba írják. A feldolgozás egymást követő szakaszai során néhány, a következő szakaszban szükségtelen fragmentumot eltávolítanak az mRNS-ből, és a nukleotidszekvenciákat szerkesztik. Miután a kód a sejtmagból a riboszómákba kerül, a fehérjemolekulák tényleges szintézise úgy történik, hogy az egyes aminosavmaradékokat a növekvő polipeptidlánchoz kapcsolják.
A transzkripció és a transzláció között az mRNS-molekula egy sor egymást követő változáson megy keresztül, amelyek biztosítják a polipeptidlánc szintéziséhez egy működő templát érését. Az 5'-véghez egy sapka, a 3'-véghez pedig egy poli-A farok kapcsolódik, ami megnöveli az mRNS élettartamát. Az eukarióta sejtekben történő feldolgozás megjelenésével lehetővé vált a génexonok kombinálása, hogy több, egyetlen DNS-nukleotidszekvencia által kódolt fehérjét kapjunk – alternatív splicing.
A transzláció egy polipeptid lánc szintéziséből áll a hírvivő RNS-ben kódolt információknak megfelelően. Az aminosavszekvenciát a következőképpen rendezzük el szállítás RNS (tRNS), amelyek komplexeket képeznek az aminosavakkal - aminoacil-tRNS. Minden aminosavnak megvan a saját tRNS-e, amelynek van egy megfelelő antikodonja, amely „egyezik” az mRNS kodonnal. A transzláció során a riboszóma az mRNS mentén mozog, ahogy a polipeptidlánc felépül. A fehérjeszintézis energiáját az ATP biztosítja.
A kész fehérjemolekulát ezután lehasítják a riboszómáról, és a megfelelő helyre szállítják a sejtben. Egyes fehérjéknek további poszttranszlációs módosításra van szükségük ahhoz, hogy elérjék aktív állapotukat.
Korábban hangsúlyoztuk, hogy a nukleotidoknak fontos tulajdonságuk van a földi élet kialakulásában - egy oldatban lévő polinukleotid lánc jelenlétében a rokon nukleotidok komplementer vegyülete alapján spontán módon megtörténik egy második (párhuzamos) lánc kialakulásának folyamata. . Az ilyen reakciók végrehajtásának elengedhetetlen feltétele az azonos számú nukleotid mindkét láncban és ezek kémiai kapcsolata. A fehérjeszintézis során azonban, amikor az mRNS-ből származó információ beépül a fehérje szerkezetébe, szó sem lehet a komplementaritás elvének betartásáról. Ennek oka az a tény, hogy az mRNS-ben és a szintetizált fehérjében nemcsak a monomerek száma különbözik, hanem ami különösen fontos, nincs köztük szerkezeti hasonlóság (egyrészt nukleotidok, másrészt aminosavak) . Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben szükség van egy új elv megalkotására az információ pontos transzlációjához egy polinukleotidból polipeptid szerkezetté. Az evolúció során létrejött egy ilyen alapelv, és ennek alapjául a genetikai kódot fektették le.
A genetikai kód a nukleinsavmolekulákban lévő örökletes információk rögzítésére szolgáló rendszer, amely a DNS-ben vagy RNS-ben lévő nukleotidszekvenciák bizonyos váltakozásán alapul, amelyek egy fehérje aminosavainak megfelelő kodonokat képeznek.
A genetikai kódnak számos tulajdonsága van.
Hármasság.
Degeneráció vagy redundancia.
Egyértelműség.
Polaritás.
Nem átfedő.
Kompaktság.
Sokoldalúság.
Megjegyzendő, hogy egyes szerzők a kód egyéb tulajdonságait is felkínálják kémiai jellemzői a kódban szereplő nukleotidok vagy az egyes aminosavak előfordulási gyakorisága a testfehérjékben stb. Ezek a tulajdonságok azonban a fentiekből következnek, ezért ott fogjuk ezeket figyelembe venni.
a. Hármasság. A genetikai kódnak, mint sok bonyolultan szervezett rendszernek, van a legkisebb szerkezeti és legkisebb funkcionális egysége. A hármas a genetikai kód legkisebb szerkezeti egysége. Három nukleotidból áll. A kodon a genetikai kód legkisebb funkcionális egysége. Az mRNS-hármasokat általában kodonoknak nevezik. A genetikai kódban egy kodon több funkciót is ellát. Először is, fő funkciója az, hogy egy aminosavat kódol. Másodszor, előfordulhat, hogy egy kodon nem kódol aminosavat, de ebben az esetben más funkciója van (lásd alább). A definícióból látható, hogy a hármas olyan fogalom, amely jellemzi alapvető szerkezeti egység genetikai kód (három nukleotid). kodon jellemzi elemi szemantikai egység genom - három nukleotid határozza meg egy aminosav polipeptidláncához való kötődését.
Az elemi szerkezeti egységet először elméletileg fejtették meg, majd kísérletileg igazolták a létezését. Valójában 20 aminosavat nem kódolhat egy vagy két nukleotid. ez utóbbiak csak 4. Négy nukleotidból három 4 3 = 64 változatot ad, ami több mint lefedi az élő szervezetekben jelenlévő aminosavak számát (lásd 1. táblázat).
A 64. táblázatban bemutatott nukleotid-kombinációknak két jellemzője van. Először is, a hármasok 64 változata közül csak 61 kodon és kódol bármilyen aminosavat. érzék kodonok. Három hármas nem kódol
Asztal 1.
Messenger RNS kodonok és a hozzájuk tartozó aminosavak
|
A kodonok alapjai |
|||||
|
ostobaság |
ostobaság |
||||
|
ostobaság | |||||
|
Találkozott |
|||||
|
Tengely |
|||||
az a aminosavak a transzláció végét jelző stop jelek. Három ilyen hármas van UAA, UAG, UGA, „értelmetlennek” (nonszensz kodonoknak) is nevezik. Egy mutáció eredményeként, amely egy tripletben egy nukleotid másikkal való helyettesítésével jár, értelmetlen kodon keletkezhet egy szensz kodonból. Ezt a fajta mutációt ún nonszensz mutáció. Ha a gén belsejében (az információs részében) ilyen stop jel képződik, akkor ezen a helyen a fehérjeszintézis során a folyamat folyamatosan megszakad - a fehérjének csak az első (a stop jelzés előtti) része szintetizálódik. Egy ilyen patológiában szenvedő személy fehérjehiányt tapasztal, és a hiányhoz kapcsolódó tüneteket tapasztal. Ilyen mutációt találtak például a hemoglobin béta-láncát kódoló génben. Egy lerövidített inaktív hemoglobin lánc szintetizálódik, amely gyorsan elpusztul. Ennek eredményeként egy béta-lánc nélküli hemoglobinmolekula képződik. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen molekula valószínűleg nem fogja maradéktalanul teljesíteni feladatait. Van egy súlyos betegség, amely a hemolitikus anémia típusa szerint alakul ki (béta-zéró talaszémia, a görög "Talas" szóból - a Földközi-tenger, ahol ezt a betegséget először fedezték fel).
A stopkodonok hatásmechanizmusa eltér az értelmes kodonok hatásmechanizmusától. Ez abból a tényből következik, hogy az összes aminosavat kódoló kodonhoz megtalálták a megfelelő tRNS-eket. Nem találtak tRNS-t nonszensz kodonokhoz. Ezért a tRNS nem vesz részt a fehérjeszintézis leállításának folyamatában.
kodonAUGUSZTUS (a baktériumokban néha GUG) nem csak a metionin és valin aminosavat kódolja, hanemadás kezdeményezője .
b. Degeneráció vagy redundancia.
A 64 hármasból 61 20 aminosavat kódol. A tripletek számának ilyen háromszoros többlete az aminosavak számához képest arra utal, hogy az információátadás során két kódolási lehetőség használható. Először is, nem mind a 64 kodon vehet részt 20 aminosav kódolásában, hanem csak 20, másodszor pedig az aminosavakat több kodon is kódolhatja. Tanulmányok kimutatták, hogy a természet az utóbbi lehetőséget használta.
A preferenciája egyértelmű. Ha a 64 triplett variánsból csak 20 vesz részt az aminosavak kódolásában, akkor 44 triplett (64-ből) nem kódoló maradna, azaz. értelmetlen (nonszensz kodonok). Korábban utaltunk arra, hogy mennyire veszélyes egy sejt életére egy kódoló triplett átalakulása mutáció következtében nonszensz kodonná - ez jelentősen megzavarja az RNS polimeráz normál működését, végső soron betegségek kialakulásához vezet. Jelenleg három nonszensz kodon található genomunkban, és most képzeljük el, mi történne, ha a nonszensz kodonok száma körülbelül 15-szörösére nőne. Nyilvánvaló, hogy ilyen helyzetben a normál kodonok nonszensz kodonokká való átmenete mérhetetlenül magasabb lesz.
Azt a kódot, amelyben egy aminosavat több hármas kódol, degeneráltnak vagy redundánsnak nevezzük. Szinte minden aminosavnak több kodonja van. Tehát a leucin aminosavat hat hármas kódolhatja - UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. A valint négy hármas, a fenilalanint pedig csak kettő kódolja triptofán és metionin egy kodon kódolja. Meghívásra kerül az a tulajdonság, amely ugyanazon információ különböző karakterekkel történő rögzítéséhez kapcsolódik degeneráltság.
Az egy aminosavhoz rendelt kodonok száma jól korrelál az aminosav fehérjékben való előfordulási gyakoriságával.
És ez nagy valószínűséggel nem véletlen. Minél gyakrabban fordul elő egy aminosav egy fehérjében, annál gyakrabban van jelen ennek az aminosavnak a kodonja a genomban, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy mutagén faktorok károsítják. Ezért egyértelmű, hogy egy mutált kodon nagyobb valószínűséggel kódolja ugyanazt az aminosavat, ha az erősen degenerált. Ezekből a pozíciókból a genetikai kód degenerációja olyan mechanizmus, amely megvédi az emberi genomot a károsodástól.
Megjegyzendő, hogy a degeneráció kifejezést a molekuláris genetikában más értelemben is használják. Mivel a kodonban lévő információ nagy része az első két nukleotidra esik, a kodon harmadik pozíciójában lévő bázisnak nincs jelentősége. Ezt a jelenséget „a harmadik bázis degenerációjának” nevezik. Utolsó funkció minimalizálja a mutációk hatását. Ismeretes például, hogy a vörösvértestek fő funkciója az oxigén szállítása a tüdőből a szövetekbe és a szén-dioxid szállítása a szövetekből a tüdőbe. Ezt a funkciót a légzőszervi pigment - a hemoglobin - végzi, amely kitölti az eritrocita teljes citoplazmáját. Ez egy fehérje részből áll - globinból, amelyet a megfelelő gén kódol. A fehérje mellett a hemoglobin hemet tartalmaz, amely vasat tartalmaz. A globin gének mutációi a hemoglobin különböző változatainak megjelenéséhez vezetnek. Leggyakrabban mutációk társulnak az egyik nukleotid helyettesítése egy másikkal és egy új kodon megjelenése a génben, amely egy új aminosavat kódolhat a hemoglobin polipeptid láncában. Egy hármasban a mutáció eredményeként bármely nukleotid helyettesíthető - az első, a második vagy a harmadik. Több száz mutációról ismert, hogy befolyásolja a globin gének integritását. Közel 400 amelyek közül a gén egyes nukleotidjainak cseréjével és a polipeptidben a megfelelő aminosav-szubsztitúcióval kapcsolatosak. Ezek közül csak 100 helyettesítések a hemoglobin instabilitásához és különféle fajták enyhétől a nagyon súlyosig terjedő betegségek. 300 (körülbelül 64%) szubsztitúciós mutáció nem befolyásolja a hemoglobin funkciót, és nem vezet patológiához. Ennek egyik oka a fent említett „harmadik bázis degenerációja”, amikor a szerint, leucint, prolint, arginint és néhány más aminosavat kódoló tripletben a harmadik nukleotid cseréje egy szinonima kodon megjelenéséhez vezet. ugyanazt az aminosavat kódolja. Fenotípusosan egy ilyen mutáció nem nyilvánul meg. Ezzel szemben a hármasban az első vagy a második nukleotid bármilyen cseréje az esetek 100%-ában új hemoglobin variáns megjelenéséhez vezet. De még ebben az esetben sem lehetnek súlyos fenotípusos rendellenességek. Ennek az az oka, hogy a hemoglobinban egy aminosavat egy másik, fizikai-kémiai tulajdonságait tekintve az elsőhöz hasonló aminosavval helyettesítik. Például, ha egy hidrofil tulajdonságokkal rendelkező aminosavat egy másik, de ugyanolyan tulajdonságú aminosavra cserélünk.
A hemoglobin a hem vasporfirin csoportjából (oxigén és szén-dioxid molekulák kapcsolódnak hozzá) és egy fehérjéből - globinból áll. A felnőttkori hemoglobin (HbA) két egyformát tartalmaz - láncok és kettő - láncok. Molekula - a lánc 141 aminosavat tartalmaz, - lánc - 146, - és -láncok sok aminosavban különböznek egymástól. Az egyes globinláncok aminosavszekvenciáját a saját génje kódolja. A gén kódolása - a lánc a 16-os kromoszóma rövid karján található, -gén - a 11-es kromoszóma rövid karjában. Változás a génkódolásban - az első vagy második nukleotid hemoglobin lánca szinte mindig új aminosavak megjelenéséhez vezet a fehérjében, a hemoglobin funkcióinak megzavarásához és súlyos következményekhez a beteg számára. Például, ha az egyik CAU (hisztidin) tripletben a „C”-t „U”-ra cseréljük, egy új UAU hármas jelenik meg, amely egy másik aminosavat – a tirozint – kódol. Fenotípusosan ez súlyos betegségben nyilvánul meg. hasonló csere a 63. pozícióban A hisztidin polipeptid láncának tirozinná történő átalakulása destabilizálja a hemoglobint. A methemoglobinémia betegség alakul ki. A mutáció következtében a glutaminsav valinná változott a 6. pozícióban lánc egy súlyos betegség – sarlósejtes vérszegénység – oka. Ne folytassuk a szomorú listát. Csak azt jegyezzük meg, hogy az első két nukleotid cseréjekor egy aminosav jelenhet meg a szerint fizikai és kémiai tulajdonságok hasonló az előzőhöz. Így a 2. nukleotid cseréje a glutaminsavat (GAA) kódoló hármasok egyikében -lánc az „Y”-n egy új, valint kódoló triplett (GUA) megjelenéséhez vezet, és az első nukleotid „A”-val való helyettesítése egy AAA-hármast képez, amely a lizin aminosavat kódolja. A glutaminsav és a lizin fizikai-kémiai tulajdonságaiban hasonlóak – mindkettő hidrofil. A valin egy hidrofób aminosav. Ezért a hidrofil glutaminsav hidrofób valinnal történő helyettesítése jelentősen megváltoztatja a hemoglobin tulajdonságait, ami végső soron sarlósejtes vérszegénység kialakulásához vezet, míg a hidrofil glutaminsav hidrofil lizinnel történő helyettesítése kisebb mértékben megváltoztatja a hemoglobin funkcióját - betegek fejleszteni enyhe forma anémia. A harmadik bázis cseréje eredményeként az új hármas ugyanazokat az aminosavakat tudja kódolni, mint az előző. Például, ha az uracilt citozinra cserélték a CAH-hármasban, és egy CAC-hármas keletkezett, akkor gyakorlatilag semmilyen fenotípusos változás nem mutatható ki egy személyben. Ez érthető, mert Mindkét hármas ugyanazt az aminosavat, a hisztidint kódolja.
Összegzésképpen érdemes hangsúlyozni, hogy a genetikai kód degenerációja és a harmadik bázis általános biológiai helyzetből való degenerációja olyan védőmechanizmusok, amelyek az evolúció során beépülnek a DNS és az RNS egyedi szerkezetébe.
ban ben. Egyértelműség.
Minden triplet (kivéve az értelmetleneket) csak egy aminosavat kódol. Így a kodon - aminosav irányában a genetikai kód egyértelmű, az aminosav - kodon - irányában kétértelmű (degenerált).
félreérthetetlen
kodon aminosav
elfajzott
És ebben az esetben nyilvánvaló a genetikai kód egyértelműségének igénye. Egy másik változatban ugyanazon kodon transzlációja során különböző aminosavak kerülnének be a fehérjeláncba, és ennek eredményeként eltérő elsődleges szerkezetű és eltérő funkciójú fehérjék képződnének. A sejt anyagcseréje az „egy gén – több polipeptid” működési módra váltana át. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen helyzetben a gének szabályozó funkciója teljesen elveszne.
g) Polaritás
A DNS-ből és az mRNS-ből történő információolvasás csak egy irányban történik. A polaritás megvan fontosságát magasabb rendű struktúrák (másodlagos, harmadlagos stb.) meghatározására. Korábban beszéltünk arról, hogy az alacsonyabb rendű struktúrák határozzák meg a magasabb rendű struktúrákat. A fehérjékben a harmadlagos szerkezet és a magasabb rendű szerkezetek azonnal kialakulnak, amint a szintetizált RNS-lánc eltávolodik a DNS-molekulától, vagy a polipeptidlánc eltávolodik a riboszómától. Míg az RNS vagy polipeptid szabad vége harmadlagos szerkezetet kap, a lánc másik vége továbbra is szintetizálódik a DNS-en (ha az RNS átíródik) vagy a riboszómán (ha a polipeptid átíródik).
Ezért az információolvasás egyirányú folyamata (az RNS és a fehérje szintézisében) nemcsak a szintetizált anyag nukleotid- vagy aminosav-szekvenciájának meghatározásához elengedhetetlen, hanem a szekunder, tercier stb. merev meghatározásához. szerkezetek.
e) Nem átfedő.
A kód átfedheti egymást, de lehet, hogy nem. A legtöbb organizmusban a kód nem fedi egymást. Egyes fágokban átfedő kódot találtak.
A nem átfedő kód lényege, hogy az egyik kodon nukleotidja nem lehet egyidejűleg egy másik kodon nukleotidja. Ha a kód átfedésben van, akkor a hét nukleotidból álló szekvencia (GCUGCUG) nem két aminosavat (alanin-alanin) (33. ábra, A) kódolhat, mint egy nem átfedő kód esetében, hanem hármat (ha egy nukleotid) gyakori) (33. ábra, B) vagy öt (ha két nukleotid gyakori) (lásd 33. ábra, C). Az utolsó két esetben bármely nukleotid mutációja a kettő, három stb. szekvencia megsértéséhez vezet. aminosavak.
Azt találták azonban, hogy egy nukleotid mutációja mindig megzavarja egy aminosav beépülését a polipeptidbe. Ez jelentős érv amellett, hogy a kód ne legyen átfedés.
Magyarázzuk meg ezt a 34. ábrán. A vastag vonalak aminosavakat kódoló hármasokat mutatnak nem átfedő és átfedő kódok esetén. A kísérletek egyértelműen kimutatták, hogy a genetikai kód nem fedi egymást. Anélkül, hogy belemennénk a kísérlet részleteibe, megjegyezzük, hogy ha kicseréljük a nukleotidszekvenciában a harmadik nukleotidot (lásd 34. ábra)Nál nél (csillaggal jelölve) másra, akkor:
1. Nem átfedő kód esetén az ezzel a szekvenciával szabályozott fehérje egy (első) aminosavat helyettesítene (csillagokkal jelölve).
2. Ha az A lehetőségben átfedő kód van, akkor a csere két (első és második) (csillaggal jelölt) aminosavban történne. A B lehetőség szerint a helyettesítés három (csillaggal jelölt) aminosavat érintene.
Azonban számos kísérlet kimutatta, hogy ha a DNS-ben egy nukleotid eltörik, a fehérje mindig csak egy aminosavat érint, ami jellemző a nem átfedő kódokra.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
HCC HCC HCC UHC CUG HCC CUG UGC HCC CUG
*** *** *** *** *** ***
Alanin - Alanin Ala - Cys - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei
A B C
nem átfedő kód átfedő kód
Rizs. 34. A genomban nem átfedő kód jelenlétét magyarázó séma (magyarázat a szövegben).
A genetikai kód átfedésének hiánya egy másik tulajdonsághoz kapcsolódik - az információ olvasása egy bizonyos ponttól kezdődik - az iniciációs jel. Ilyen iniciációs szignál az mRNS-ben az AUG metionint kódoló kodon.
Meg kell jegyezni, hogy az embernek még mindig van néhány génje, amelyektől eltérnek Általános szabályés átfedés.
e. Kompaktság.
A kodonok között nincsenek írásjelek. Más szóval, a hármasokat nem választja el egymástól például egyetlen értelmetlen nukleotid. Kísérletek során bebizonyosodott, hogy a genetikai kódban hiányoznak az "írásjelek".
és. Sokoldalúság.
A kód ugyanaz a Földön élő összes szervezetre. A genetikai kód egyetemességének közvetlen bizonyítékát a DNS-szekvenciák és a megfelelő fehérjeszekvenciák összehasonlítása szerezte meg. Kiderült, hogy ugyanazokat a kódértékeket használják minden bakteriális és eukarióta genomban. Vannak kivételek, de nem sok.
A genetikai kód egyetemessége alóli első kivételeket egyes állatfajok mitokondriumaiban találták meg. Ez az UGA terminátorkodonra vonatkozott, amely ugyanazt olvasta, mint a triptofán aminosavat kódoló UGG kodon. Más ritkább eltéréseket is találtak az egyetemességtől.
MZ. A genetikai kód egy olyan rendszer, amely a nukleinsavmolekulák örökletes információit rögzíti, és a DNS-ben vagy RNS-ben található nukleotidszekvenciák bizonyos váltakozásán alapul, amelyek kodonokat képeznek,
megfelel a fehérje aminosavainak.A genetikai kódnak számos tulajdonsága van.
