Predavanje 5. Genetski kod
Definicija pojma
Genetski kod je sistem za snimanje informacija o sekvenci aminokiselina u proteinima koristeći sekvencu nukleotida u DNK.
Pošto DNK nije direktno uključena u sintezu proteina, kod je napisan na jeziku RNK. RNK sadrži uracil umjesto timina.
Osobine genetskog koda
1. Trostruko
Svaka aminokiselina je kodirana nizom od 3 nukleotida.
Definicija: triplet ili kodon je niz od tri nukleotida koji kodiraju jednu aminokiselinu.
Kod ne može biti monoplet, jer je 4 (broj različitih nukleotida u DNK) manji od 20. Kod se ne može duplirati, jer 16 (broj kombinacija i permutacija 4 nukleotida od 2) je manji od 20. Kod može biti triplet, jer 64 (broj kombinacija i permutacija od 4 do 3) je više od 20.
2. Degeneracija.
Sve aminokiseline, s izuzetkom metionina i triptofana, kodirane su sa više od jednog tripleta:
2 AK za 1 trojku = 2.
9 AK, po 2 trojke = 18.
1 AK 3 trojke = 3.
5 AK od 4 trojke = 20.
3 AK od 6 trojki = 18.
Ukupno 61 triplet kodira 20 aminokiselina.
3. Prisustvo intergenskih znakova interpunkcije.
definicija:
Gene - dio DNK koji kodira jedan polipeptidni lanac ili jedan molekul tRNA, rRNA ilisRNA.
GenitRNA, rRNA, sRNAproteini nisu kodirani.
Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 tripleta koji kodiraju RNK stop kodone, ili stop signale. U mRNA imaju sljedeći oblik: UAA, UAG, UGA . Oni prekidaju (završavaju) emitovanje.
Konvencionalno, kodon takođe pripada znacima interpunkcije AUG - prvi iza vodeće sekvence. (Vidi 8. predavanje) Funkcioniše kao veliko slovo. U ovoj poziciji kodira formilmetionin (kod prokariota).
4. Nedvosmislenost.
Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator translacije.
Izuzetak je kodon AUG . Kod prokariota, na prvoj poziciji (veliko slovo) kodira formilmetionin, a na bilo kojoj drugoj poziciji kodira metionin.
5. Kompaktnost ili odsustvo intragenskih znakova interpunkcije.
Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona.
Godine 1961. Seymour Benzer i Francis Crick su eksperimentalno dokazali trostruku prirodu koda i njegovu kompaktnost.
Suština eksperimenta: "+" mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija - gubitak jednog nukleotida. Jedna mutacija "+" ili "-" na početku gena kvari cijeli gen. Dvostruka mutacija "+" ili "-" također kvari cijeli gen.
Trostruka mutacija "+" ili "-" na početku gena kvari samo dio gena. Četvorostruka mutacija "+" ili "-" opet kvari cijeli gen.
Eksperiment to dokazuje kod je triplet i unutar gena nema znakova interpunkcije. Eksperiment je izveden na dva susedna gena faga i pokazao je, pored toga, prisustvo znakova interpunkcije između gena.
6. Svestranost.
Genetski kod je isti za sva stvorenja koja žive na Zemlji.
Burrell je otvoren 1979. godine idealan kod ljudskih mitohondrija.
definicija:
“Ideal” je genetski kod u kojem je zadovoljeno pravilo degeneracije kvazi-dublet koda: ako se u dva tripleta poklapaju prva dva nukleotida, a treći nukleotidi pripadaju istoj klasi (oba su purini ili su oba pirimidini) , onda ovi trojci kodiraju istu aminokiselinu.
Postoje dva izuzetka od ovog pravila u generičkom kodu. Oba odstupanja od idealnog koda u univerzalnom odnose se na fundamentalne točke: početak i kraj sinteze proteina:
Codon | Universal kod | Mitohondrijski kodovi |
|||
Kičmenjaci | Beskičmenjaci | Kvasac | Biljke |
||
STOP | STOP |
||||
Sa UA | |||||
A G A | STOP | ||||
STOP | 230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline. do kidavosti. Godine 1956. Georgiy Gamow je predložio varijantu koda koji se preklapa. Prema Gamow kodu, svaki nukleotid, počevši od trećeg u genu, dio je 3 kodona. Kada je genetski kod dešifrovan, pokazalo se da se ne preklapa, tj. Svaki nukleotid je dio samo jednog kodona. Prednosti preklapajućeg genetskog koda: kompaktnost, manja zavisnost strukture proteina od insercije ili delecije nukleotida. Nedostatak: struktura proteina u velikoj mjeri ovisi o zamjeni nukleotida i ograničenjima na susjedima. Godine 1976. sekvencionirana je DNK faga φX174. Ima jednolančanu kružnu DNK koja se sastoji od 5375 nukleotida. Poznato je da fag kodira 9 proteina. Za njih 6 identifikovani su geni koji se nalaze jedan za drugim. Ispostavilo se da postoji preklapanje. Gen E se nalazi u potpunosti unutar gena D . Njegov početni kodon je rezultat pomaka okvira jednog nukleotida. Gene J počinje tamo gde gen završava D . Startni kodon gena J preklapa se sa stop kodonom gena D kao rezultat pomaka dva nukleotida. Konstrukcija se naziva "pomeranjem okvira čitanja" sa brojem nukleotida koji nije višekratnik tri. Do danas je preklapanje pokazano samo za nekoliko faga. Informacioni kapacitet DNK Na Zemlji živi 6 milijardi ljudi. Nasljedni podaci o njima 4x10 13 stranica knjige. Ove stranice bi zauzimale prostor od 6 zgrada NSU. 6x10 9 spermatozoida zauzimaju polovinu naprstka. Njihov DNK zauzima manje od četvrtine naprstka. | ||||
Genetski kod je način kodiranja sekvence aminokiselina u molekulu proteina koristeći sekvencu nukleotida u molekulu nukleinske kiseline. Svojstva genetskog koda proizilaze iz karakteristika ovog kodiranja.
Svaka proteinska aminokiselina odgovara tri uzastopna nukleotida nukleinske kiseline - trojka, ili kodon. Svaki nukleotid može sadržavati jednu od četiri azotne baze. U RNK jeste adenin(A), uracil(U), guanin(G), citozin(C). Kombinovanjem azotnih baza (u ovom slučaju nukleotida koji ih sadrže) na različite načine možete dobiti mnogo različitih tripleta: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC, itd. Ukupan broj mogućih kombinacija je 64, tj. 4 3 .
Proteini živih organizama sadrže oko 20 aminokiselina. Da je priroda "zamislila" da svaku aminokiselinu kodira ne sa tri, već sa dva nukleotida, onda raznolikost takvih parova ne bi bila dovoljna, jer bi ih bilo samo 16, tj. 4 2.
dakle, glavno svojstvo genetskog koda je njegov triplet. Svaka aminokiselina je kodirana tripletom nukleotida.
Budući da postoji znatno više mogućih različitih tripleta od aminokiselina koje se koriste u biološkim molekulama, kao što je redundantnost genetski kod. Mnoge aminokiseline počele su biti kodirane ne jednim kodonom, već nekoliko. Na primjer, aminokiselinu glicin kodiraju četiri različita kodona: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundancija se također naziva degeneracija.
Podudarnost između aminokiselina i kodona se ogleda u obliku tabela. Na primjer, ove:
U odnosu na nukleotide, genetski kod ima sljedeće osobine: nedvosmislenost(ili specifičnost): svaki kodon odgovara samo jednoj aminokiselini. Na primjer, GGU kodon može kodirati samo glicin i nijednu drugu aminokiselinu.
Opet. Redundancija znači da nekoliko tripleta može kodirati istu aminokiselinu. Specifičnost - svaki specifični kodon može kodirati samo jednu aminokiselinu.
U genetskom kodu nema posebnih znakova interpunkcije (osim stop kodona, koji označavaju kraj sinteze polipeptida). Funkciju interpunkcijskih znakova obavljaju same trojke - kraj jednog znači da će drugi započeti sljedeći. To implicira sljedeća dva svojstva genetskog koda: kontinuitet I nepreklapanje. Kontinuitet se odnosi na čitanje trojki odmah jedna iza druge. Nepreklapanje znači da svaki nukleotid može biti dio samo jednog tripleta. Dakle, prvi nukleotid sljedećeg tripleta uvijek dolazi iza trećeg nukleotida prethodnog tripleta. Kodon ne može započeti drugim ili trećim nukleotidom prethodnog kodona. Drugim riječima, kod se ne preklapa.
Genetski kod ima svojstvo svestranost. To je isto za sve organizme na Zemlji, što ukazuje na jedinstvo nastanka života. Postoje vrlo rijetki izuzeci od ovoga. Na primjer, neki trojci mitohondrija i hloroplasta kodiraju aminokiseline koje nisu uobičajene. Ovo može sugerirati da su u zoru života postojale neznatno različite varijacije genetskog koda.
Konačno, genetski kod ima otpornost na buku, što je posljedica njegovog svojstva viška. Tačkaste mutacije, koje se ponekad javljaju u DNK, obično rezultiraju zamjenom jedne dušične baze drugom. Ovo mijenja trojku. Na primjer, to je bio AAA, nakon mutacije je postao AAG. Međutim, takve promjene ne dovode uvijek do promjene aminokiseline u sintetiziranom polipeptidu, jer oba tripleta, zbog svojstva redundancije genetskog koda, mogu odgovarati jednoj aminokiselini. S obzirom da su mutacije češće štetne, korisno je svojstvo otpornosti na buku.
Prethodno smo naglasili da nukleotidi imaju važnu osobinu za nastanak života na Zemlji – u prisustvu jednog polinukleotidnog lanca u rastvoru spontano dolazi do procesa formiranja drugog (paralelnog) lanca na osnovu komplementarnog povezivanja srodnih nukleotida. . Isti broj nukleotida u oba lanca i njihov hemijski afinitet su neophodan uslov za sprovođenje ove vrste reakcije. Međutim, tokom sinteze proteina, kada se informacija iz mRNA implementira u strukturu proteina, ne može biti govora o poštovanju principa komplementarnosti. To je zbog činjenice da je u mRNA i u sintetiziranom proteinu ne samo različit broj monomera, već, što je posebno važno, nema strukturne sličnosti između njih (nukleotidi s jedne strane, aminokiseline s druge strane). ). Jasno je da u ovom slučaju postoji potreba za stvaranjem novog principa za precizno prevođenje informacija iz polinukleotida u strukturu polipeptida. U evoluciji je stvoren takav princip i njegova osnova je bio genetski kod.
Genetski kod je sistem za beleženje naslednih informacija u molekulima nukleinske kiseline, zasnovan na određenoj alternaciji nukleotidnih sekvenci u DNK ili RNK, formirajući kodone koji odgovaraju aminokiselinama u proteinu.
Genetski kod ima nekoliko svojstava.
Trojstvo.
Degeneracija ili redundantnost.
Nedvosmislenost.
Polaritet.
Bez preklapanja.
Kompaktnost.
Svestranost.
Treba napomenuti da neki autori predlažu i druga svojstva koda vezana za hemijske karakteristike nukleotida uključenih u kod ili učestalost pojavljivanja pojedinih aminokiselina u proteinima organizma itd. Međutim, ove osobine proizlaze iz gore navedenih, pa ćemo ih tamo razmotriti.
A. Trojstvo. Genetski kod, kao i mnogi složeno organizirani sistemi, ima najmanju strukturnu i najmanju funkcionalnu jedinicu. Triplet je najmanja strukturna jedinica genetskog koda. Sastoji se od tri nukleotida. Kodon je najmanja funkcionalna jedinica genetskog koda. Tipično, tripleti mRNA se nazivaju kodoni. U genetskom kodu, kodon obavlja nekoliko funkcija. Prvo, njegova glavna funkcija je da kodira jednu aminokiselinu. Drugo, kodon možda ne kodira aminokiselinu, ali u ovom slučaju obavlja drugu funkciju (vidi dolje). Kao što se može vidjeti iz definicije, trojka je koncept koji karakterizira osnovno strukturna jedinica genetski kod (tri nukleotida). Kodon – karakteriše elementarna semantička jedinica genom - tri nukleotida određuju vezanje jedne aminokiseline za polipeptidni lanac.
Elementarna strukturna jedinica je prvo teorijski dešifrovana, a zatim je eksperimentalno potvrđeno njeno postojanje. Zaista, 20 aminokiselina ne može biti kodirano sa jednim ili dva nukleotida jer potonjih ima samo 4. Tri od četiri nukleotida daju 4 3 = 64 varijante, što više nego pokriva broj aminokiselina dostupnih u živim organizmima (vidi tabelu 1).
Kombinacije 64 nukleotida predstavljene u tabeli imaju dvije karakteristike. Prvo, od 64 tripletne varijante, samo 61 je kodon i kodira bilo koju aminokiselinu, tzv. čulni kodoni. Tri trojke ne kodiraju
Tabela 1.
Messenger RNA kodoni i odgovarajuće aminokiseline
|
FONDACIJA KODONOV |
|||||
|
Gluposti |
Gluposti |
||||
|
Gluposti | |||||
|
Meth |
|||||
|
Shaft |
|||||
aminokiseline a su stop signali koji ukazuju na kraj translacije. Postoje tri takve trojke - UAA, UAG, UGA, nazivaju se i “besmislenim” (besmisleni kodoni). Kao rezultat mutacije, koja je povezana sa zamjenom jednog nukleotida u tripletu drugim, besmisleni kodon može nastati iz osjetilnog kodona. Ova vrsta mutacije se zove besmislica mutacija. Ako se takav stop signal formira unutar gena (u njegovom informacijskom dijelu), tada će se tokom sinteze proteina na ovom mjestu proces stalno prekidati - sintetizirat će se samo prvi (prije stop signala) dio proteina. Osoba s ovom patologijom osjetit će nedostatak proteina i osjetit će simptome povezane s ovim nedostatkom. Na primjer, ova vrsta mutacije je identificirana u genu koji kodira beta lanac hemoglobina. Sintetizira se skraćeni neaktivni lanac hemoglobina koji se brzo uništava. Kao rezultat, formira se molekul hemoglobina bez beta lanca. Jasno je da takav molekul vjerovatno neće u potpunosti ispuniti svoje dužnosti. Javlja se ozbiljna bolest koja se razvija kao hemolitička anemija (beta-nula talasemija, od grčke riječi “Thalas” – Sredozemno more, gdje je ova bolest prvi put otkrivena).
Mehanizam djelovanja stop kodona razlikuje se od mehanizma djelovanja čulnih kodona. Ovo proizilazi iz činjenice da su za sve kodone koji kodiraju aminokiseline pronađene odgovarajuće tRNA. Nisu pronađene tRNA za besmislene kodone. Shodno tome, tRNA ne učestvuje u procesu zaustavljanja sinteze proteina.
CodonAUG (ponekad GUG u bakterijama) ne samo da kodiraju aminokiseline metionin i valin, već su iinicijator emitovanja .
b. Degeneracija ili redundantnost.
61 od 64 tripleta kodira 20 aminokiselina. Ovaj trostruki višak broja tripleta u odnosu na broj aminokiselina sugerira da se u prijenosu informacija mogu koristiti dvije opcije kodiranja. Prvo, ne mogu sva 64 kodona biti uključena u kodiranje 20 aminokiselina, ali samo 20 i, drugo, aminokiseline mogu biti kodirane s nekoliko kodona. Istraživanja su pokazala da je priroda koristila potonju opciju.
Njegove preferencije su očigledne. Ako bi od 64 varijante tripleta samo 20 bilo uključeno u kodiranje aminokiselina, onda bi 44 tripleta (od 64) ostala nekodirajuća, tj. besmisleni (besmisleni kodoni). Prethodno smo ukazali na to koliko je opasno za život ćelije transformirati kodirajući triplet kao rezultat mutacije u besmisleni kodon - to značajno remeti normalno funkcioniranje RNA polimeraze, što u konačnici dovodi do razvoja bolesti. Trenutno su tri kodona u našem genomu besmislica, ali sada zamislite šta bi se dogodilo da se broj besmislenih kodona poveća za oko 15 puta. Jasno je da će u takvoj situaciji prijelaz normalnih kodona u nonsens kodone biti nemjerljivo veći.
Kod u kojem je jedna aminokiselina kodirana s nekoliko tripleta naziva se degeneriranim ili redundantnim. Gotovo svaka aminokiselina ima nekoliko kodona. Dakle, aminokiselina leucin može biti kodirana sa šest tripleta - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valin je kodiran sa četiri trojke, fenilalanin sa dva i samo triptofan i metionin kodiran jednim kodonom. Svojstvo koje je povezano sa snimanjem istih informacija sa različitim simbolima se zove degeneracija.
Broj kodona određenih za jednu aminokiselinu dobro korelira sa učestalošću pojavljivanja aminokiseline u proteinima.
I to najvjerovatnije nije slučajno. Što je učestalost pojavljivanja aminokiseline u proteinu veća, to je kodon ove aminokiseline češće zastupljen u genomu, veća je vjerovatnoća da će se aminokiselina oštetiti mutagenim faktorima. Stoga je jasno da mutirani kodon ima veće šanse da kodira istu aminokiselinu ako je visoko degenerisan. Iz ove perspektive, degeneracija genetskog koda je mehanizam koji štiti ljudski genom od oštećenja.
Treba napomenuti da se termin degeneracija u molekularnoj genetici koristi u drugom smislu. Dakle, najveći dio informacija u kodonu sadržan je u prva dva nukleotida; pokazalo se da je baza na trećem mjestu kodona od male važnosti. Ovaj fenomen se naziva "degeneracija treće baze". Posljednja karakteristika minimizira učinak mutacija. Na primjer, poznato je da je glavna funkcija crvenih krvnih stanica transport kisika iz pluća u tkiva i ugljični dioksid iz tkiva u pluća. Ovu funkciju obavlja respiratorni pigment - hemoglobin, koji ispunjava cijelu citoplazmu eritrocita. Sastoji se od proteinskog dijela - globina, koji je kodiran odgovarajućim genom. Osim proteina, molekul hemoglobina sadrži hem, koji sadrži željezo. Mutacije globinskih gena dovode do pojave različitih varijanti hemoglobina. Najčešće su mutacije povezane sa zamjena jednog nukleotida drugim i pojava novog kodona u genu, koji može kodirati novu aminokiselinu u polipeptidnom lancu hemoglobina. U tripletu, kao rezultat mutacije, može se zamijeniti bilo koji nukleotid - prvi, drugi ili treći. Poznato je nekoliko stotina mutacija koje utiču na integritet globinskih gena. Near 400 od kojih su povezani sa zamjenom pojedinačnih nukleotida u genu i odgovarajućom zamjenom aminokiselina u polipeptidu. Samo od ovih 100 zamjene dovode do nestabilnosti hemoglobina i raznih vrsta bolesti od blagih do veoma teških. 300 (približno 64%) supstitucijskih mutacija ne utječu na funkciju hemoglobina i ne dovode do patologije. Jedan od razloga za to je i gore spomenuta “degeneracija treće baze”, kada zamjena trećeg nukleotida u tripletu koji kodira serin, leucin, prolin, arginin i neke druge aminokiseline dovodi do pojave sinonimnog kodona. koji kodiraju istu aminokiselinu. Takva mutacija se neće manifestirati fenotipski. Nasuprot tome, svaka zamjena prvog ili drugog nukleotida u tripletu u 100% slučajeva dovodi do pojave nove varijante hemoglobina. Ali čak iu ovom slučaju možda neće biti teških fenotipskih poremećaja. Razlog tome je zamjena aminokiseline u hemoglobinu drugom sličnom prvoj po fizičko-hemijskim svojstvima. Na primjer, ako je aminokiselina s hidrofilnim svojstvima zamijenjena drugom aminokiselinom, ali sa istim svojstvima.
Hemoglobin se sastoji od željezne porfirinske grupe hema (za nju su vezani molekuli kisika i ugljičnog dioksida) i proteina - globina. Hemoglobin odraslih (HbA) sadrži dva identična -lanci i dva -lanci. Molekul -lanac sadrži 141 aminokiselinski ostatak, -lanac - 146, - I -lanci se razlikuju po mnogim ostacima aminokiselina. Aminokiselinska sekvenca svakog globinskog lanca je kodirana vlastitim genom. Gensko kodiranje -lanac se nalazi u kratkom kraku hromozoma 16, -gen - u kratkom kraku hromozoma 11. Promjena kodiranja gena -lanac hemoglobina prvog ili drugog nukleotida gotovo uvijek dovodi do pojave novih aminokiselina u proteinu, narušavanja funkcija hemoglobina i ozbiljnih posljedica za pacijenta. Na primjer, zamjena "C" u jednom od tripleta CAU (histidin) sa "Y" će dovesti do pojave novog tripleta UAU, koji kodira drugu aminokiselinu - tirozin. Fenotipski će se to manifestirati u teškoj bolesti.. A slična zamjena na poziciji 63 -lanac polipeptida histidina u tirozin će dovesti do destabilizacije hemoglobina. Razvija se bolest methemoglobinemija. Zamjena, kao rezultat mutacije, glutaminske kiseline valinom na 6. poziciji -lanac je uzročnik najteže bolesti - anemije srpastih ćelija. Hajde da ne nastavljamo tužnu listu. Napomenimo samo da se prilikom zamjene prva dva nukleotida može pojaviti aminokiselina s fizičko-hemijskim svojstvima sličnim prethodnoj. Dakle, zamjena 2. nukleotida u jednom od tripleta koji kodiraju glutaminsku kiselinu (GAA) u -lanac sa “U” dovodi do pojave novog tripleta (GUA), koji kodira valin, a zamjenom prvog nukleotida sa “A” formira se triplet AAA, koji kodira aminokiselinu lizin. Glutaminska kiselina i lizin su slični po fizičko-hemijskim svojstvima - obje su hidrofilne. Valin je hidrofobna aminokiselina. Stoga se zamjenom hidrofilne glutaminske kiseline hidrofobnim valinom značajno mijenjaju svojstva hemoglobina, što u konačnici dovodi do razvoja anemije srpastih stanica, dok zamjenom hidrofilne glutaminske kiseline hidrofilnim lizinom u manjoj mjeri mijenja funkciju hemoglobina – kod pacijenata se razvija blagi oblik. od anemije. Kao rezultat zamjene treće baze, novi triplet može kodirati iste aminokiseline kao i prethodni. Na primjer, ako je u CAC tripletu uracil zamijenjen citozinom i pojavio se CAC triplet, tada se kod ljudi neće otkriti praktički nikakve fenotipske promjene. To je razumljivo, jer oba tripleta kodiraju istu aminokiselinu – histidin.
U zaključku, prikladno je naglasiti da su degeneracija genetskog koda i degeneracija treće baze sa opšte biološke tačke gledišta zaštitni mehanizmi koji su inherentni evoluciji u jedinstvenoj strukturi DNK i RNK.
V. Nedvosmislenost.
Svaki triplet (osim besmislica) kodira samo jednu aminokiselinu. Dakle, u pravcu kodon - aminokiselina genetski kod je nedvosmislen, u pravcu amino kiselina - kodon je dvosmislen (degenerisan).
Nedvosmisleno
Kodon aminokiselina
Degenerisan
I u ovom slučaju, potreba za nedvosmislenošću u genetskom kodu je očigledna. U drugoj opciji, prilikom prevođenja istog kodona, različite aminokiseline bi se ubacile u proteinski lanac i kao rezultat bi se formirali proteini s različitim primarnim strukturama i različitim funkcijama. Ćelijski metabolizam bi se prebacio na način rada “jedan gen – nekoliko polipeptida”. Jasno je da bi u takvoj situaciji regulatorna funkcija gena bila potpuno izgubljena.
g. Polaritet
Čitanje informacija iz DNK i mRNA događa se samo u jednom smjeru. Polaritet je važan za definisanje struktura višeg reda (sekundarne, tercijarne, itd.). Ranije smo govorili o tome kako strukture nižeg reda određuju strukture višeg reda. Tercijarna struktura i strukture višeg reda u proteinima nastaju čim sintetizirani lanac RNK napusti molekulu DNK ili polipeptidni lanac napusti ribozom. Dok slobodni kraj RNK ili polipeptida dobija tercijarnu strukturu, drugi kraj lanca nastavlja da se sintetiše na DNK (ako je RNK transkribovana) ili ribosomu (ako je polipeptid prepisan).
Stoga je jednosmjerni proces čitanja informacija (tokom sinteze RNK i proteina) neophodan ne samo za određivanje redoslijeda nukleotida ili aminokiselina u sintetiziranoj supstanci, već i za striktno određivanje sekundarnih, tercijalnih itd. strukture.
d) Nepreklapanje.
Kod se može preklapati ili ne preklapati. Većina organizama ima kod koji se ne preklapa. Kod nekih faga nalazi se preklapajući kod.
Suština koda koji se ne preklapa je da nukleotid jednog kodona ne može istovremeno biti nukleotid drugog kodona. Ako bi se kod preklapao, tada bi sekvenca od sedam nukleotida (GCUGCUG) mogla kodirati ne dvije aminokiseline (alanin-alanin) (slika 33, A) kao u slučaju koda koji se ne preklapa, već tri (ako postoji jedan zajednički nukleotid) (slika 33, B) ili pet (ako su dva zajednička nukleotida) (vidi sliku 33, C). U posljednja dva slučaja, mutacija bilo kojeg nukleotida dovela bi do kršenja u nizu dva, tri, itd. amino kiseline.
Međutim, utvrđeno je da mutacija jednog nukleotida uvijek poremeti uključivanje jedne aminokiseline u polipeptid. Ovo je značajan argument da se kod ne preklapa.
Objasnimo ovo na slici 34. Podebljane linije prikazuju triplete koji kodiraju aminokiseline u slučaju koda koji se ne preklapa i preklapa. Eksperimenti su jasno pokazali da se genetski kod ne preklapa. Ne ulazeći u detalje eksperimenta, napominjemo da ako zamijenite treći nukleotid u nizu nukleotida (vidi sliku 34)At (označeno zvjezdicom) na neku drugu stvar:
1. Sa kodom koji se ne preklapa, protein kontroliran ovom sekvencom imao bi supstituciju jedne (prve) aminokiseline (označene zvjezdicama).
2. Sa preklapajućim kodom u opciji A, supstitucija bi se dogodila u dvije (prve i druge) aminokiseline (označene zvjezdicama). Pod opcijom B, zamjena bi uticala na tri aminokiseline (označene zvjezdicama).
Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da kada je jedan nukleotid u DNK poremećen, poremećaj u proteinu uvijek pogađa samo jednu aminokiselinu, što je tipično za kod koji se ne preklapa.
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
Nepreklapajući kod Preklapajući kod
Rice. 34. Dijagram koji objašnjava prisustvo koda koji se ne preklapa u genomu (objašnjenje u tekstu).
Nepreklapanje genetskog koda povezano je sa drugim svojstvom - čitanje informacija počinje od određene tačke - signala inicijacije. Takav inicijacijski signal u mRNA je kodon koji kodira metionin AUG.
Treba napomenuti da osoba još uvijek ima mali broj gena koji odstupaju od općeg pravila i preklapaju se.
e. Kompaktnost.
Ne postoji interpunkcija između kodona. Drugim riječima, trojke nisu odvojene jedna od druge, na primjer, jednim besmislenim nukleotidom. Eksperimentima je dokazano odsustvo "interpunkcijskih znakova" u genetskom kodu.
i. Svestranost.
Šifra je ista za sve organizme koji žive na Zemlji. Direktan dokaz univerzalnosti genetskog koda dobijen je poređenjem sekvenci DNK sa odgovarajućim sekvencama proteina. Pokazalo se da svi genomi bakterija i eukariota koriste iste skupove vrijednosti koda. Ima izuzetaka, ali ne mnogo.
Prvi izuzeci od univerzalnosti genetskog koda pronađeni su u mitohondrijima nekih životinjskih vrsta. Ovo se odnosilo na terminator kodon UGA, koji se čita isto kao i kodon UGG, koji kodira aminokiselinu triptofan. Nađena su i druga rjeđa odstupanja od univerzalnosti.
MZ. Genetski kod je sistem za snimanje naslednih informacija u molekulima nukleinske kiseline, zasnovan na određenoj alternaciji nukleotidnih sekvenci u DNK ili RNK koje formiraju kodone,
odgovara aminokiselinama u proteinima.Genetski kod ima nekoliko svojstava.
Koriste se isti nukleotidi, osim nukleotida koji sadrži timin, koji je zamijenjen sličnim nukleotidom koji sadrži uracil, koji je označen slovom (u literaturi na ruskom jeziku). U molekulima DNK i RNK nukleotidi su raspoređeni u lance i tako se dobijaju sekvence genetskih slova.
Proteini gotovo svih živih organizama izgrađeni su od samo 20 vrsta aminokiselina. Ove aminokiseline se nazivaju kanonskim. Svaki protein je lanac ili nekoliko lanaca aminokiselina povezanih u strogo definiranu sekvencu. Ova sekvenca određuje strukturu proteina, a time i sva njegova biološka svojstva.
Međutim, početkom 60-ih godina 20. stoljeća, novi podaci su otkrili nedosljednost hipoteze „šifra bez zareza“. Tada su eksperimenti pokazali da kodoni, koje je Crick smatrao besmislenim, mogu izazvati sintezu proteina in vitro, a do 1965. godine ustanovljeno je značenje svih 64 tripleta. Pokazalo se da su neki kodoni jednostavno suvišni, odnosno da je čitav niz aminokiselina kodiran sa dva, četiri ili čak šest tripleta.
Svojstva
Tabele korespondencije između kodona mRNA i aminokiselina
Genetski kod uobičajen za većinu pro- i eukariota. Tabela prikazuje svih 64 kodona i odgovarajuće aminokiseline. Osnovni redosled je od 5" do 3" kraja mRNA.
| 1st baza |
2nd base | 3rd baza |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||||||
| U | UUU | (Phe/F) Fenilalanin | UCU | (Ser/S) Serin | UAU | (Tyr/Y) Tirozin | UGU | (Cys/C) Cistein | U |
| UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
| UUA | (Leu/L) Leucin | UCA | UAA | stani ( Oker) | U.G.A. | stani ( Opal) | A | ||
| UUG | UCG | UAG | stani ( Amber) | UGG | (Trp/W) Triptofan | G | |||
| C | CUU | CCU | (Pro/P) Proline | CAU | (His/H) Histidin | C.G.U. | (Arg/R) Arginin | U | |
| CUC | CCC | C.A.C. | C.G.C. | C | |||||
| CUA | CCA | CAA | (Gln/Q) Glutamin | C.G.A. | A | ||||
| C.U.G. | CCG | CAG | CGG | G | |||||
| A | AUU | (Ile/I) Izoleucin | ACU | (Thr/T) Treonin | AAU | (Asn/N) Asparagin | AGU | (Ser/S) Serin | U |
| AUC | ACC | A.A.C. | A.G.C. | C | |||||
| AUA | ACA | AAA | (Lys/K) Lizin | A.G.A. | (Arg/R) Arginin | A | |||
| AUG | (Met/M) Metionin | A.C.G. | AAG | AGG | G | ||||
| G | GUU | (Val/V) Valin | G.C.U. | (Ala/A) Alanin | GAU | (Asp/D) Asparaginska kiselina | GGU | (Gly/G) Glicin | U |
| GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
| GUA | G.C.A. | GAA | (Glu/E) Glutaminska kiselina | GGA | A | ||||
| G.U.G. | GCG | GAG | GGG | G | |||||
| Ala/A | GCU, GCC, GCA, GCG | Leu/L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
|---|---|---|---|
| Arg/R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys/K | AAA, AAG |
| Asn/N | AAU, AAC | Met/M | AUG |
| Asp/D | GAU, GAC | Phe/F | UUU, UUC |
| Cys/C | UGU, UGC | Pro/P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln/Q | CAA, CAG | Ser/S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Ljepilo | GAA, GAG | Thr/T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly/G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp/W | UGG |
| Njegov/H | CAU, CAC | Tyr/Y | UAU, UAC |
| Ile/I | AUU, AUC, AUA | Val/V | GUU, GUC, GUU, GUG |
| START | AUG | STOP | UAG, UGA, UAA |
Varijacije u standardnom genetskom kodu
Prvi primjer odstupanja od standardnog genetskog koda otkriven je 1979. godine tokom proučavanja ljudskih mitohondrijalnih gena. Od tog vremena pronađeno je nekoliko sličnih varijanti, uključujući razne alternativne mitohondrijske kodove, na primjer, čitanje stop kodona UGA kao kodona koji specificira triptofan u mikoplazmama. Kod bakterija i arheja, HUG i UUG se često koriste kao početni kodoni. U nekim slučajevima, geni počinju kodirati protein na početnom kodonu koji se razlikuje od onog koji obično koristi vrsta.
U nekim proteinima, nestandardne aminokiseline, kao što su selenocistein i pirolizin, se ubacuju ribosomom koji čita stop kodon, ovisno o sekvencama u mRNA. Selenocistein se danas smatra 21., a pirolizin 22. aminokiselinama koje čine proteine.
Uprkos ovim izuzecima, svi živi organizmi imaju zajedničke genetske kodove: kodoni se sastoje od tri nukleotida, pri čemu su prva dva odlučujuća; kodoni se prevode tRNA i ribozoma u niz aminokiselina.
| Primjer | Codon | Normalno značenje | Čita se kao: |
|---|---|---|---|
| Neke vrste kvasca Candida | C.U.G. | Leucin | Serin |
| Mitohondrije, posebno u Saccharomyces cerevisiae | CU (U, C, A, G) | Leucin | Serin |
| Mitohondrije viših biljaka | CGG | Arginin | Triptofan |
| Mitohondrije (u svim proučavanim organizmima bez izuzetka) | U.G.A. | Stani | Triptofan |
| Nuklearni genom cilijata Euplotes | U.G.A. | Stani | Cistein ili selenocistein |
| Mitohondrije sisara, Drosophila, S.cerevisiae i mnoge jednostavne | AUA | Izoleucin | Metionin = Početak |
| prokarioti | G.U.G. | Valin | Počni |
| eukarioti (rijetko) | C.U.G. | Leucin | Počni |
| eukarioti (rijetko) | G.U.G. | Valin | Počni |
| Prokarioti (rijetko) | UUG | Leucin | Počni |
| eukarioti (rijetko) | A.C.G. | Treonin | Počni |
| Mitohondrije sisara | AGC, AGU | Serin | Stani |
| Drosophila mitochondria | A.G.A. | Arginin | Stani |
| Mitohondrije sisara | AG(A, G) | Arginin | Stani |
Evolucija
Vjeruje se da se trojni kod razvio prilično rano u evoluciji života. Ali postojanje razlika u nekim organizmima koji su se pojavili u različitim evolucijskim fazama ukazuje da on nije uvijek bio ovakav.
Prema nekim modelima, kod je prvo postojao u primitivnom obliku, kada je mali broj kodona označavao relativno mali broj aminokiselina. Preciznija značenja kodona i više aminokiselina bi se mogli uvesti kasnije. Isprva, samo prve dvije od tri baze mogle su se koristiti za prepoznavanje [koje ovisi o strukturi tRNA].
- Lewin B. Geni. M.: 1987. P. 62.
vidi takođe
Bilješke
- Sanger F. (1952). “Raspored aminokiselina u proteinima.” Adv. Protein Chem. 7 : 1-67. PMID.
- Ichas M. Biološki kod. - M.: Mir, 1971.
- Watson J. D., Crick F. H. (april 1953.). “Molekularna struktura nukleinskih kiselina; struktura za deoksiribozu nukleinske kiseline.” Priroda. 171 : 737-738. PMID. referenca)
- Watson J. D., Crick F. H. (maj 1953.). “Genetske implikacije strukture deoksiribonukleinske kiseline.” Priroda. 171 : 964-967. PMID. Koristi zastarjeli parametar |month= (pomoć)
- Crick F. H. (april 1966.). “Genetski kod – jučer, danas i sutra.” Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol.: 1-9. PMID. Koristi zastarjeli parametar |month= (pomoć)
- Gamow G. (februar 1954). “Moguća veza između deoksiribonukleinske kiseline i proteinskih struktura.” Priroda. 173 : 318. DOI: 10.1038/173318a0 . PMID. Koristi zastarjeli parametar |month= (pomoć)
- Gamow G., Rich A., Ycas M. (1956). “Problem prijenosa informacija sa nukleinskih kiselina na proteine.” Adv. Bio.l Med. Phys.. 4 : 23-68. PMID.
- Gamow G, Ycas M. (1955). “Statistička korelacija proteina i ribonukleinske kiseline sastava” . Proc. Natl. Akad. Sci. SAD.. 41 : 1011-1019. PMID.
- Crick F. H., Griffith J. S., Orgel L. E. (1957).
To je metoda u kojoj se informacija o sekvenci od dvadeset aminokiselina kodira korištenjem sekvence od četiri nukleotida.
Genecode Properties
1) Trojstvo
Jedna aminokiselina je kodirana sa tri nukleotida. U DNK se zovu triplet, u mRNA - kodon, u tRNK - antikodon. Ukupno ima 64 tripleta, od kojih 61 kodira aminokiseline, a 3 su signali za zaustavljanje - pokazuju ribosomu mjesto na kojem bi trebalo zaustaviti sintezu proteina.
2) Degeneracija (višak)
Postoji 61 kodon koji kodira aminokiseline, ali samo 20 aminokiselina, tako da je većina aminokiselina kodirana višestrukim kodonima. Na primjer, aminokiselinu alanin kodiraju četiri kodona - HCU, HCC, HCA, HCH. Izuzetak je metionin, kodiran je jednim kodonom AUG - kod eukariota je to početni kodon tokom translacije.
3) Nedvosmislenost
Svaki kodon kodira samo jednu aminokiselinu. Na primjer, kodon HCU kodira samo jednu aminokiselinu - alanin.
4) Kontinuitet
Ne postoje separatori („znakovi interpunkcije”) između pojedinačnih trojki. Zbog toga, kada se jedan nukleotid izbriše ili ubaci, dolazi do "pomaka okvira čitanja": počevši od mjesta mutacije, čitanje tripletnog koda je poremećeno i sintetizira se potpuno drugačiji protein.
5) Svestranost
Genetski kod je isti za sve žive organizme na Zemlji.
