کد ژنتیکی: توضیحات، خصوصیات، تاریخچه تحقیق. بیوسنتز پروتئین و اسیدهای نوکلئیک

سخنرانی 5. کد ژنتیکی

تعریف مفهوم

کد ژنتیکی سیستمی برای ثبت اطلاعات در مورد توالی اسیدهای آمینه در پروتئین ها با استفاده از توالی نوکلئوتیدها در DNA است.

از آنجایی که DNA مستقیماً در سنتز پروتئین دخالت ندارد، کد به زبان RNA نوشته شده است. RNA به جای تیمین حاوی اوراسیل است.

ویژگی های کد ژنتیکی

1. سه گانه

هر آمینو اسید توسط دنباله ای از 3 نوکلئوتید کدگذاری می شود.

تعریف: سه گانه یا کدون دنباله ای از سه نوکلئوتید است که یک اسید آمینه را کد می کند.

کد نمی‌تواند تک‌پلت باشد، زیرا 4 (تعداد نوکلئوتیدهای مختلف در DNA) کمتر از 20 است. کد نمی‌تواند دوتایی شود، زیرا 16 (تعداد ترکیبات و جایگشت های 4 نوکلئوتید 2) کمتر از 20 است. کد می تواند سه گانه باشد، زیرا 64 (تعداد ترکیب ها و جایگشت ها از 4 تا 3) بیش از 20 است.

2. انحطاط.

همه اسیدهای آمینه، به استثنای متیونین و تریپتوفان، توسط بیش از یک سه قلو کدگذاری می شوند:

2 AK برای 1 سه قلو = 2.

9 AK، هر کدام 2 سه قلو = 18.

1 AK 3 سه قلو = 3.

5 AK از 4 سه قلو = 20.

3 AK از 6 سه قلو = 18.

در مجموع 61 سه قلو 20 اسید آمینه را رمزگذاری می کنند.

3. وجود علائم نگارشی بین ژنی.

تعریف:

ژن - بخشی از DNA که یک زنجیره پلی پپتیدی یا یک مولکول را کد می کند tRNA, rRNA یاsRNA.

ژن هاtRNA, rRNA, sRNAپروتئین ها کدگذاری نمی شوند

در انتهای هر ژنی که یک پلی پپتید را کد می کند، حداقل یکی از 3 سه تایی وجود دارد که کدون های توقف RNA یا سیگنال های توقف را رمزگذاری می کنند. در mRNA آنها شکل زیر را دارند: UAA، UAG، UGA . آنها پخش را خاتمه می دهند (پایان می دهند).

به طور معمول، کدون نیز متعلق به علائم نگارشی استآگوست - اولین بعد از دنباله لیدر. (به سخنرانی 8 مراجعه کنید) به عنوان یک حرف بزرگ عمل می کند. در این موقعیت فرمیل متیونین (در پروکاریوت ها) را کد می کند.

4. عدم ابهام.

هر سه قلو فقط یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند یا یک پایان دهنده ترجمه است.

استثنا کدون استآگوست . در پروکاریوت ها در موقعیت اول (حرف بزرگ) فرمیل متیونین و در هر موقعیت دیگر متیونین را رمز می کند.

5. فشردگی یا عدم وجود علائم نگارشی درون ژنی.
در یک ژن، هر نوکلئوتید بخشی از یک کدون مهم است.

در سال 1961، سیمور بنزر و فرانسیس کریک به طور تجربی ماهیت سه گانه کد و فشرده بودن آن را ثابت کردند.

ماهیت آزمایش: جهش "+" - درج یک نوکلئوتید. جهش "-" - از دست دادن یک نوکلئوتید. یک جهش "+" یا "-" در ابتدای یک ژن، کل ژن را خراب می کند. یک جهش دوگانه "+" یا "-" نیز کل ژن را خراب می کند.

یک جهش سه گانه "+" یا "-" در ابتدای یک ژن تنها بخشی از آن را خراب می کند. یک جهش چهارگانه "+" یا "-" دوباره کل ژن را خراب می کند.

آزمایش این را ثابت می کند کد رونویسی شده و هیچ علامت نگارشی در داخل ژن وجود ندارد.این آزمایش بر روی دو ژن فاژ مجاور انجام شد و نشان داد، علاوه بر این، وجود علائم نقطه گذاری بین ژن ها

6. تطبیق پذیری.

کد ژنتیکی برای همه موجوداتی که روی زمین زندگی می کنند یکسان است.

در سال 1979، بورل افتتاح شد ایده آلکد میتوکندری انسان

تعریف:

"ایده آل" یک کد ژنتیکی است که در آن قاعده انحطاط کد شبه دوگانه برآورده می شود: اگر در دو سه قلو دو نوکلئوتید اول بر هم منطبق باشند و نوکلئوتید سوم متعلق به یک کلاس باشد (هر دو پورین یا هر دو پیریمیدین هستند) ، سپس این سه قلوها برای همان اسید آمینه کد می کنند.

دو استثنا برای این قانون در کد جهانی وجود دارد. هر دو انحراف از کد ایده آل در جهانی به نکات اساسی مربوط می شود: آغاز و پایان سنتز پروتئین:

کدون	جهانی کد	کدهای میتوکندریایی
		مهره داران	بی مهرگان	مخمر	گیاهان
	متوقف کردن				متوقف کردن
با UA
A G A		متوقف کردن
		متوقف کردن			230 جایگزینی کلاس اسید آمینه کدگذاری شده را تغییر نمی دهد. به پاره شدن در سال 1956، جورجی گامو نوعی از کد همپوشانی را پیشنهاد کرد. طبق کد Gamow، هر نوکلئوتید، که از سومین ژن شروع می شود، بخشی از 3 کدون است. وقتی کد ژنتیکی رمزگشایی شد، معلوم شد که همپوشانی ندارد، یعنی. هر نوکلئوتید تنها بخشی از یک کدون است. مزایای یک کد ژنتیکی همپوشانی: فشردگی، وابستگی کمتر ساختار پروتئین به درج یا حذف یک نوکلئوتید. معایب: ساختار پروتئین به شدت به جایگزینی نوکلئوتید و محدودیت در همسایگان وابسته است. در سال 1976، DNA فاژ φX174 توالی یابی شد. دارای DNA دایره ای تک رشته ای متشکل از 5375 نوکلئوتید است. فاژ به عنوان کد کننده 9 پروتئین شناخته شده بود. برای 6 مورد از آنها، ژن هایی که یکی پس از دیگری قرار داشتند شناسایی شدند. معلوم شد که همپوشانی وجود دارد. ژن E به طور کامل در درون ژن قرار دارد D . کدون شروع آن از تغییر قاب یک نوکلئوتید حاصل می شود. ژنجی از جایی شروع می شود که ژن به پایان می رسد D . کدون شروع ژنجی با کدون توقف ژن همپوشانی دارد D در نتیجه جابجایی دو نوکلئوتید. این ساختار توسط تعدادی نوکلئوتید "تغییر قاب خواندن" نامیده می شود نه مضرب سه. تا به امروز، همپوشانی تنها برای چند فاژ نشان داده شده است. ظرفیت اطلاعاتی DNA 6 میلیارد نفر روی زمین زندگی می کنند. اطلاعات ارثی در مورد آنها محصور در 6x10 9 اسپرم. طبق برآوردهای مختلف، یک فرد از 30 تا 50 دارد هزار ژن همه انسان ها دارای ~30x1013 ژن یا 30x1016 جفت باز هستند که 1017 کدون را تشکیل می دهند. متوسط ​​صفحه کتاب شامل 25x10 2 کاراکتر است. DNA اسپرم 6x10 9 حاوی اطلاعاتی است که حجم آن تقریباً برابر است 4x10 13 صفحه کتاب. این صفحات فضای 6 ساختمان NSU را اشغال می کنند. 6×10 9 اسپرم نصف انگشتانه را می گیرد. DNA آنها کمتر از یک چهارم انگشتان را اشغال می کند.

کد ژنتیکی روشی برای رمزگذاری توالی اسیدهای آمینه در یک مولکول پروتئین با استفاده از توالی نوکلئوتیدها در یک مولکول اسید نوکلئیک است. خواص کد ژنتیکی از ویژگی های این کدگذاری ناشی می شود.

هر اسید آمینه پروتئین با سه نوکلئوتید اسید نوکلئیک متوالی مطابقت دارد - سه قلو، یا کدون. هر نوکلئوتید می تواند حاوی یکی از چهار باز نیتروژن باشد. در RNA این است آدنین(آ)، اوراسیل(U) گوانین(G) سیتوزین(ج). با ترکیب بازهای نیتروژنی (در این مورد، نوکلئوتیدهای حاوی آنها) به روش‌های مختلف، می‌توانید سه‌قلوهای مختلف زیادی بدست آورید: AAA، GAU، UCC، GCA، AUC و غیره. تعداد کل ترکیب‌های ممکن 64، یعنی 4 3 است.

پروتئین موجودات زنده حاوی حدود 20 اسید آمینه است. اگر طبیعت "برنامه ریزی" می کرد که هر اسید آمینه را نه با سه، بلکه با دو نوکلئوتید رمزگذاری کند، تنوع این جفت ها کافی نخواهد بود، زیرا تنها 16 مورد از آنها وجود خواهد داشت، یعنی. 4 2.

بدین ترتیب، ویژگی اصلی کد ژنتیکی سه گانه بودن آن است. هر اسید آمینه توسط یک سه قلو نوکلئوتید کدگذاری می شود.

از آنجایی که سه قلوهای مختلف به طور قابل توجهی نسبت به اسیدهای آمینه مورد استفاده در مولکول های بیولوژیکی وجود دارد، ویژگی زیر در طبیعت زنده محقق شده است: افزونگیکد ژنتیکی. بسیاری از اسیدهای آمینه نه با یک کدون، بلکه توسط چندین کدون شروع به کدگذاری کردند. به عنوان مثال، اسید آمینه گلیسین توسط چهار کدون مختلف رمزگذاری می شود: GGU، GGC، GGA، GGG. افزونگی نیز نامیده می شود انحطاط.

مطابقت بین اسیدهای آمینه و کدون ها در جداول نشان داده شده است. مثلاً اینها:

در رابطه با نوکلئوتیدها، کد ژنتیکی دارای ویژگی زیر است: عدم ابهام(یا اختصاصی): هر کدون فقط مربوط به یک اسید آمینه است. به عنوان مثال، کدون GGU فقط می تواند گلیسین و هیچ اسید آمینه دیگری را کد کند.

از نو. افزونگی به این معنی است که چندین سه قلو می توانند یک اسید آمینه را کد کنند. ویژگی - هر کدون خاص می تواند تنها برای یک اسید آمینه کد کند.

هیچ علامت نگارشی خاصی در کد ژنتیکی وجود ندارد (به جز کدون های توقف که نشان دهنده پایان سنتز پلی پپتید هستند). عملکرد علائم نگارشی توسط خود سه قلوها انجام می شود - پایان یکی به این معنی است که دیگری شروع می شود. این به دو خاصیت کد ژنتیکی زیر اشاره دارد: تداومو غیر همپوشانی. تداوم به خواندن سه قلوها بلافاصله پس از هم اشاره دارد. عدم همپوشانی به این معنی است که هر نوکلئوتید می تواند تنها بخشی از یک سه گانه باشد. بنابراین اولین نوکلئوتید سه گانه بعدی همیشه بعد از نوکلئوتید سوم سه گانه قبلی می آید. یک کدون نمی تواند با نوکلئوتید دوم یا سوم کدون قبلی شروع شود. به عبارت دیگر، کد با هم همپوشانی ندارد.

کد ژنتیکی این خاصیت را دارد تطبیق پذیری. برای همه موجودات روی زمین یکسان است که نشان دهنده وحدت منشأ حیات است. در این مورد استثناهای بسیار نادری وجود دارد. به عنوان مثال، برخی از سه قلوها در میتوکندری ها و کلروپلاست ها اسیدهای آمینه ای غیر از اسیدهای آمینه معمول خود را رمزگذاری می کنند. این ممکن است نشان دهد که در سپیده دم زندگی تغییرات کمی متفاوت از کد ژنتیکی وجود داشته است.

در نهایت، کد ژنتیکی دارد ایمنی سر و صدا، که نتیجه خاصیت آن به عنوان افزونگی است. جهش‌های نقطه‌ای که گاهی در DNA رخ می‌دهند، معمولاً منجر به جایگزینی یک باز نیتروژنی با پایه دیگر می‌شوند. این سه قلو را تغییر می دهد. به عنوان مثال، AAA بود، اما پس از جهش به AAG تبدیل شد. با این حال، چنین تغییراتی همیشه منجر به تغییر اسید آمینه در پلی پپتید سنتز شده نمی شود، زیرا هر دو سه قلو، به دلیل خاصیت افزونگی کد ژنتیکی، می توانند با یک اسید آمینه مطابقت داشته باشند. با توجه به اینکه جهش ها اغلب مضر هستند، خاصیت ایمنی در برابر صدا مفید است.

قبلاً تأکید کردیم که نوکلئوتیدها یک ویژگی مهم برای تشکیل حیات روی زمین دارند - در حضور یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی در یک محلول، فرآیند تشکیل زنجیره دوم (موازی) به طور خود به خود بر اساس اتصال مکمل نوکلئوتیدهای مرتبط رخ می دهد. . تعداد یکسان نوکلئوتید در هر دو زنجیره و میل ترکیبی شیمیایی آنها شرط ضروری برای اجرای این نوع واکنش است. با این حال، در طول سنتز پروتئین، زمانی که اطلاعات mRNA در ساختار پروتئین پیاده‌سازی می‌شود، نمی‌توان از رعایت اصل مکمل بودن صحبت کرد. این امر به این دلیل است که در mRNA و پروتئین سنتز شده نه تنها تعداد مونومرها متفاوت است، بلکه آنچه اهمیت ویژه ای دارد، هیچ شباهتی ساختاری بین آنها وجود ندارد (نوکلئوتیدها از یک طرف، اسیدهای آمینه از طرف دیگر). ). واضح است که در این مورد نیاز به ایجاد یک اصل جدید برای ترجمه دقیق اطلاعات از یک پلی نوکلئوتید به ساختار یک پلی پپتید وجود دارد. در تکامل، چنین اصلی ایجاد شد و اساس آن کد ژنتیکی بود.

کد ژنتیکی سیستمی برای ثبت اطلاعات ارثی در مولکول‌های اسید نوکلئیک است که بر اساس تناوب خاصی از توالی‌های نوکلئوتیدی در DNA یا RNA، کدون‌های مربوط به اسیدهای آمینه در پروتئین را تشکیل می‌دهد.

کد ژنتیکی چندین ویژگی دارد.

سه گانه.

انحطاط یا افزونگی.

عدم ابهام

قطبیت.

غیر همپوشانی

فشردگی.

تطبیق پذیری.

لازم به ذکر است که برخی از نویسندگان همچنین ویژگی های دیگری از کد مربوط به ویژگی های شیمیایی نوکلئوتیدهای موجود در کد یا فراوانی وقوع اسیدهای آمینه منفرد در پروتئین های بدن و غیره را پیشنهاد می کنند. با این حال، این ویژگی ها از موارد ذکر شده در بالا پیروی می کنند، بنابراین ما آنها را در آنجا در نظر خواهیم گرفت.

آ. سه گانه. کد ژنتیکی، مانند بسیاری از سیستم‌های پیچیده سازمان‌یافته، کوچک‌ترین واحد ساختاری و کوچک‌ترین واحد عملکردی را دارد. سه قلو کوچکترین واحد ساختاری کد ژنتیکی است. از سه نوکلئوتید تشکیل شده است. کدون کوچکترین واحد عملکردی کد ژنتیکی است. به طور معمول، سه گانه mRNA را کدون می نامند. در کد ژنتیکی، یک کدون چندین عملکرد را انجام می دهد. در مرحله اول، عملکرد اصلی آن این است که یک اسید آمینه واحد را رمزگذاری می کند. ثانیاً، ممکن است کدون برای یک اسید آمینه کد نکند، اما در این مورد، عملکرد دیگری را انجام می دهد (به زیر مراجعه کنید). همانطور که از تعریف مشخص است، سه گانه مفهومی است که مشخص می کند ابتدایی واحد ساختاریکد ژنتیکی (سه نوکلئوتید). کدون - مشخص می کند واحد معنایی ابتداییژنوم - سه نوکلئوتید اتصال یک اسید آمینه به زنجیره پلی پپتیدی را تعیین می کند.

واحد ساختاری ابتدایی ابتدا به صورت نظری رمزگشایی شد و سپس وجود آن به صورت تجربی تایید شد. در واقع، 20 اسید آمینه را نمی توان با یک یا دو نوکلئوتید رمزگذاری کرد زیرا تنها 4 مورد از نوکلئوتیدها وجود دارد.از هر چهار نوکلئوتید، سه نوکلئوتید 4 3 = 64 نوع می دهد که بیش از تعداد اسیدهای آمینه موجود در موجودات زنده را پوشش می دهد (جدول 1 را ببینید).

64 ترکیب نوکلئوتیدی ارائه شده در جدول دو ویژگی دارند. اولا، از 64 نوع سه گانه، تنها 61 کدون هستند و هر اسید آمینه را رمزگذاری می کنند، آنها نامیده می شوند. کدون های حسی. سه سه قلو کد نمی کنند

میز 1.

کدون های RNA پیام رسان و اسیدهای آمینه مربوطه

بنیاد KODONOV
				مزخرف	مزخرف
				مزخرف
					مت
					شفت

اسیدهای آمینه a سیگنال های توقفی هستند که پایان ترجمه را نشان می دهند. سه تا از این قبیل وجود دارد - UAA، UAG، UGA، به آنها "بی معنی" (کدون های بی معنی) نیز می گویند. در نتیجه یک جهش، که با جایگزینی یک نوکلئوتید در یک سه قلو با نوکلئوتید دیگر همراه است، یک کدون بی معنی می تواند از یک کدون حسی ایجاد شود. این نوع جهش نامیده می شود جهش مزخرف. اگر چنین سیگنال توقفی در داخل ژن (در قسمت اطلاعات آن) تشکیل شود، در طول سنتز پروتئین در این مکان، فرآیند به طور مداوم قطع می شود - تنها اولین (قبل از سیگنال توقف) بخشی از پروتئین سنتز می شود. فرد مبتلا به این آسیب شناسی کمبود پروتئین را تجربه می کند و علائم مرتبط با این کمبود را تجربه خواهد کرد. به عنوان مثال، این نوع جهش در ژن رمزکننده زنجیره بتا هموگلوبین شناسایی شد. یک زنجیره هموگلوبین غیر فعال کوتاه شده سنتز می شود که به سرعت از بین می رود. در نتیجه یک مولکول هموگلوبین بدون زنجیره بتا تشکیل می شود. واضح است که چنین مولکولی بعید است که وظایف خود را به طور کامل انجام دهد. یک بیماری جدی رخ می دهد که به عنوان کم خونی همولیتیک ایجاد می شود (تالاسمی بتا صفر، از کلمه یونانی "Thalas" - دریای مدیترانه، جایی که این بیماری برای اولین بار کشف شد).

مکانیسم عمل کدون های توقف با مکانیسم عمل کدون های حسی متفاوت است. این از این واقعیت ناشی می شود که برای همه کدون هایی که اسیدهای آمینه را کد می کنند، tRNA های مربوطه یافت شده است. هیچ tRNA برای کدون های بی معنی پیدا نشد. در نتیجه، tRNA در روند توقف سنتز پروتئین شرکت نمی کند.

کدونآگوست (گاهی اوقات GUG در باکتری ها) نه تنها آمینو اسیدهای متیونین و والین را رمزگذاری می کند، بلکه همچنینآغازگر پخش .

ب انحطاط یا افزونگی.

61 مورد از 64 سه قلو، 20 اسید آمینه را رمزگذاری می کنند. این افزایش سه برابری تعداد سه قلوها نسبت به تعداد اسیدهای آمینه نشان می دهد که می توان از دو گزینه کدگذاری در انتقال اطلاعات استفاده کرد. اولاً، همه 64 کدون نمی توانند در رمزگذاری 20 اسید آمینه نقش داشته باشند، اما تنها 20 کدون و ثانیاً، اسیدهای آمینه می توانند توسط چندین کدون رمزگذاری شوند. تحقیقات نشان داده است که طبیعت از گزینه دوم استفاده کرده است.

ترجیح او آشکار است. اگر از 64 نوع سه قلو فقط 20 مورد در رمزگذاری اسیدهای آمینه نقش داشته باشند، 44 سه قلو (از 64) غیر کد کننده باقی می مانند. بی معنی (کدون های بی معنی). قبلاً اشاره کردیم که تبدیل یک سه گانه کدکننده در نتیجه جهش به یک کدون بی معنی برای زندگی یک سلول چقدر خطرناک است - این به طور قابل توجهی عملکرد طبیعی RNA پلیمراز را مختل می کند و در نهایت منجر به ایجاد بیماری می شود. در حال حاضر، سه کدون در ژنوم ما مزخرف هستند، اما حالا تصور کنید اگر تعداد کدون های مزخرف حدود 15 برابر شود، چه اتفاقی می افتد. واضح است که در چنین شرایطی انتقال کدون های عادی به کدون های مزخرف بی اندازه بیشتر خواهد بود.

کدی که در آن یک اسید آمینه توسط چندین سه قلو رمزگذاری شده باشد، دژنراته یا زائد نامیده می شود. تقریباً هر اسید آمینه چندین کدون دارد. بنابراین، اسید آمینه لوسین را می توان با شش سه قلو - UUA، UUG، TSUU، TsUC، TsUA، TsUG رمزگذاری کرد. والین توسط چهار سه قلو، فنیل آلانین توسط دو و تنها کدگذاری می شود تریپتوفان و متیونینکدگذاری شده توسط یک کدون خاصیتی که با ثبت اطلاعات یکسان با نمادهای مختلف همراه است نامیده می شود انحطاط

تعداد کدون های تعیین شده برای یک اسید آمینه به خوبی با فراوانی وقوع اسید آمینه در پروتئین ها ارتباط دارد.

و این به احتمال زیاد تصادفی نیست. هرچه فراوانی وقوع یک اسید آمینه در پروتئین بیشتر باشد، هر چه تعداد کدون این اسید آمینه در ژنوم بیشتر باشد، احتمال آسیب آن توسط عوامل جهش زا بیشتر است. بنابراین، واضح است که یک کدون جهش یافته در صورتی که به شدت دژنره شده باشد، شانس بیشتری برای رمزگذاری همان اسید آمینه دارد. از این منظر، انحطاط کد ژنتیکی مکانیسمی است که از ژنوم انسان در برابر آسیب محافظت می کند.

لازم به ذکر است که واژه دژنراسیون در ژنتیک مولکولی به معنای دیگری نیز به کار می رود. بنابراین، بخش عمده ای از اطلاعات در یک کدون در دو نوکلئوتید اول موجود است؛ به نظر می رسد که پایه در موقعیت سوم کدون از اهمیت کمی برخوردار است. به این پدیده «انحطاط پایه سوم» می گویند. ویژگی دوم تأثیر جهش ها را به حداقل می رساند. به عنوان مثال، مشخص شده است که وظیفه اصلی گلبول های قرمز انتقال اکسیژن از ریه ها به بافت ها و دی اکسید کربن از بافت ها به ریه ها است. این عملکرد توسط رنگدانه تنفسی - هموگلوبین انجام می شود که کل سیتوپلاسم گلبول قرمز را پر می کند. این شامل یک بخش پروتئین - گلوبین است که توسط ژن مربوطه کدگذاری می شود. علاوه بر پروتئین، مولکول هموگلوبین حاوی هِم است که حاوی آهن است. جهش در ژن های گلوبین منجر به ظهور انواع مختلف هموگلوبین می شود. اغلب، جهش ها با جایگزینی یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگر و ظهور یک کدون جدید در ژن، که ممکن است یک اسید آمینه جدید در زنجیره پلی پپتیدی هموگلوبین را رمزگذاری کند. در یک سه قلو، در نتیجه جهش، هر نوکلئوتید را می توان جایگزین کرد - اول، دوم یا سوم. صدها جهش شناخته شده است که بر یکپارچگی ژن های گلوبین تأثیر می گذارد. نزدیک 400 که با جایگزینی تک نوکلئوتیدها در یک ژن و جایگزینی اسید آمینه مربوطه در یک پلی پپتید همراه است. فقط از اینها 100 جایگزینی آن منجر به بی ثباتی هموگلوبین و انواع بیماری ها از خفیف تا بسیار شدید می شود. 300 (تقریباً 64٪) جهش جایگزینی بر عملکرد هموگلوبین تأثیر نمی گذارد و منجر به آسیب شناسی نمی شود. یکی از دلایل این امر، «انحطاط پایه سوم» است که در بالا ذکر شد، زمانی که جایگزینی نوکلئوتید سوم در یک سه گانه رمزکننده سرین، لوسین، پرولین، آرژنین و برخی اسیدهای آمینه دیگر منجر به ظهور یک کدون مترادف می شود. رمزگذاری همان اسید آمینه چنین جهشی به صورت فنوتیپی خود را نشان نخواهد داد. در مقابل، هر گونه جایگزینی اولین یا دومین نوکلئوتید در یک سه قلو در 100٪ موارد منجر به ظهور یک نوع جدید هموگلوبین می شود. اما حتی در این مورد، ممکن است اختلالات فنوتیپی شدید وجود نداشته باشد. دلیل این امر جایگزینی یک اسید آمینه در هموگلوبین با آمینو اسیدی مشابه با اولین اسید در خواص فیزیکوشیمیایی است. به عنوان مثال، اگر یک اسید آمینه با خواص آبدوست با یک اسید آمینه دیگر، اما با همان خواص جایگزین شود.

هموگلوبین از گروه پورفیرین آهن هم (مولکول های اکسیژن و دی اکسید کربن به آن متصل است) و پروتئین - گلوبین تشکیل شده است. هموگلوبین بزرگسالان (HbA) حاوی دو مشابه است زنجیر و دو -زنجیره مولکول -زنجیره حاوی 141 باقیمانده اسید آمینه است، -زنجیره - 146، - و - زنجیره ها در بسیاری از باقی مانده های اسید آمینه متفاوت هستند. توالی اسید آمینه هر زنجیره گلوبین توسط ژن خاص خود کدگذاری می شود. رمزگذاری ژن -زنجیره در بازوی کوتاه کروموزوم 16 قرار دارد، ژن - در بازوی کوتاه کروموزوم 11. جایگزینی در رمزگذاری ژن -زنجیره هموگلوبین نوکلئوتید اول یا دوم تقریباً همیشه منجر به ظهور اسیدهای آمینه جدید در پروتئین، اختلال در عملکرد هموگلوبین و عواقب جدی برای بیمار می شود. به عنوان مثال، جایگزینی "C" در یکی از سه قلوهای CAU (هیستیدین) با "Y" منجر به ظهور یک UAU سه گانه جدید می شود که اسید آمینه دیگری - تیروزین را رمزگذاری می کند. از نظر فنوتیپی این خود را در یک بیماری شدید نشان می دهد. تعویض مشابه در موقعیت 63 زنجیره پلی پپتید هیستیدین به تیروزین منجر به بی ثباتی هموگلوبین می شود. بیماری methemoglobinemia ایجاد می شود. جایگزینی، در نتیجه جهش، اسید گلوتامیک با والین در موقعیت ششم -زنجیره عامل شدیدترین بیماری - کم خونی داسی شکل است. بیایید لیست غم انگیز را ادامه ندهیم. فقط توجه داشته باشیم که هنگام جایگزینی دو نوکلئوتید اول، ممکن است یک اسید آمینه با خواص فیزیکوشیمیایی مشابه قبلی ظاهر شود. بنابراین، جایگزینی نوکلئوتید دوم در یکی از سه قلوهای رمزکننده اسید گلوتامیک (GAA) در زنجیره ای با "U" منجر به ظهور یک سه گانه جدید (GUA) می شود که والین را کد می کند و جایگزینی اولین نوکلئوتید با "A" سه گانه AAA را تشکیل می دهد که اسید آمینه لیزین را کد می کند. اسید گلوتامیک و لیزین از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی مشابه هستند - هر دو آبدوست هستند. والین یک اسید آمینه آبگریز است. بنابراین، جایگزینی اسید گلوتامیک هیدروفیل با والین آبگریز به طور قابل توجهی خواص هموگلوبین را تغییر می دهد که در نهایت منجر به ایجاد کم خونی سلول داسی می شود، در حالی که جایگزینی گلوتامیک اسید هیدروفیل با لیزین هیدروفیل عملکرد هموگلوبین را به میزان کمتری تغییر می دهد - بیماران یک فرم خفیف ایجاد می کنند. از کم خونی در نتیجه جایگزینی پایه سوم، سه گانه جدید می تواند همان اسیدهای آمینه قبلی را رمزگذاری کند. به عنوان مثال، اگر اوراسیل در سه گانه CAC با سیتوزین جایگزین شود و یک سه گانه CAC ظاهر شود، عملاً هیچ تغییر فنوتیپی در انسان مشاهده نخواهد شد. این قابل درک است، زیرا هر دو سه قلو برای یک اسید آمینه - هیستیدین کد می کنند.

در خاتمه، شایسته است تاکید کنیم که انحطاط کد ژنتیکی و انحطاط پایه سوم از دیدگاه بیولوژیکی کلی، مکانیسم‌های محافظتی هستند که در تکامل در ساختار منحصر به فرد DNA و RNA ذاتی هستند.

V. عدم ابهام

هر سه قلو (به جز موارد بی معنی) تنها یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند. بنابراین، در جهت کدون - اسید آمینه، کد ژنتیکی بدون ابهام است، در جهت اسید آمینه - کدون مبهم است (منحط).

بدون ابهام

کدون اسید آمینه

منحط

و در این صورت نیاز به عدم ابهام در کد ژنتیکی بدیهی است. در گزینه ای دیگر، هنگام ترجمه کدون یکسان، اسیدهای آمینه متفاوتی به زنجیره پروتئین وارد می شود و در نتیجه پروتئین هایی با ساختارهای اولیه متفاوت و عملکردهای متفاوت تشکیل می شود. متابولیسم سلولی به حالت "یک ژن - چند پلی پپتید" تغییر می کند. واضح است که در چنین شرایطی عملکرد تنظیمی ژن ها به کلی از بین می رود.

g. قطبیت

خواندن اطلاعات از DNA و mRNA فقط در یک جهت انجام می شود. قطبیت برای تعریف ساختارهای مرتبه بالاتر (ثانویه، ثالث و غیره) مهم است. قبلاً در مورد اینکه چگونه ساختارهای مرتبه پایین ساختارهای مرتبه بالاتر را تعیین می کنند صحبت کردیم. ساختار سوم و ساختارهای درجه بالاتر در پروتئین ها به محض خروج زنجیره RNA سنتز شده از مولکول DNA یا زنجیره پلی پپتیدی از ریبوزوم تشکیل می شود. در حالی که انتهای آزاد یک RNA یا پلی پپتید ساختار سومی پیدا می کند، انتهای دیگر زنجیره همچنان بر روی DNA (اگر RNA رونویسی شود) یا یک ریبوزوم (اگر پلی پپتید رونویسی شود) سنتز می شود.

بنابراین، فرآیند یک طرفه خواندن اطلاعات (در طول سنتز RNA و پروتئین) نه تنها برای تعیین توالی نوکلئوتیدها یا اسیدهای آمینه در ماده سنتز شده، بلکه برای تعیین دقیق ثانویه، سوم و غیره ضروری است. سازه های.

د- عدم همپوشانی.

کد ممکن است همپوشانی یا غیر همپوشانی داشته باشد. اکثر موجودات دارای کد غیر همپوشانی هستند. کدهای همپوشانی در برخی از فاژها یافت می شود.

ماهیت یک کد غیر همپوشانی این است که یک نوکلئوتید یک کدون نمی تواند به طور همزمان نوکلئوتید کدون دیگر باشد. اگر کد با هم تداخل دارند، توالی هفت نوکلئوتید (GCUGCUG) می تواند نه دو اسید آمینه (آلانین-آلانین) (شکل 33، A) را مانند یک کد غیر همپوشانی، بلکه سه (در صورت وجود) رمزگذاری کند. یک نوکلئوتید مشترک) (شکل 33، B) یا پنج (اگر دو نوکلئوتید مشترک هستند) (شکل 33، C را ببینید). در دو مورد آخر، جهش هر نوکلئوتید منجر به نقض توالی دو، سه و غیره می شود. آمینو اسید.

با این حال، ثابت شده است که جهش یک نوکلئوتید همیشه گنجاندن یک اسید آمینه در یک پلی پپتید را مختل می کند. این یک استدلال مهم است که کد با هم تداخل ندارند.

اجازه دهید این را در شکل 34 توضیح دهیم. خطوط پررنگ سه قلوها را نشان می دهد که اسیدهای آمینه را در مورد کدهای غیر همپوشانی و همپوشانی رمزگذاری می کنند. آزمایش ها به وضوح نشان داده اند که کد ژنتیکی همپوشانی ندارد. بدون پرداختن به جزئیات آزمایش، توجه می کنیم که اگر نوکلئوتید سوم را در دنباله نوکلئوتیدها جایگزین کنید (شکل 34 را ببینید)U (با علامت ستاره) به چیز دیگری:

1. با یک کد غیر همپوشانی، پروتئین کنترل شده توسط این دنباله جایگزین یک (اول) اسید آمینه (که با ستاره مشخص شده است) خواهد بود.

2. با یک کد همپوشانی در گزینه A، یک جایگزینی در دو اسید آمینه (اول و دوم) (که با ستاره مشخص شده اند) رخ می دهد. در گزینه B، جایگزینی بر سه آمینو اسید (که با ستاره مشخص شده اند) تأثیر می گذارد.

با این حال، آزمایش‌های متعدد نشان داده‌اند که وقتی یک نوکلئوتید در DNA مختل می‌شود، اختلال در پروتئین همیشه تنها بر یک اسید آمینه تأثیر می‌گذارد که برای یک کد غیر همپوشانی معمول است.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU GCU

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

آلنین - آلنین آلا - سیس - لی آلا - لی - لی - آلا - لی

A B C

کد غیر همپوشانی کد همپوشانی

برنج. 34. نموداری که وجود یک کد غیر همپوشانی را در ژنوم توضیح می دهد (توضیحات در متن).

عدم همپوشانی کد ژنتیکی با خاصیت دیگری مرتبط است - خواندن اطلاعات از یک نقطه خاص شروع می شود - سیگنال شروع. چنین سیگنال آغازینی در mRNA کدون است که متیونین AUG را کد می کند.

لازم به ذکر است که یک فرد هنوز تعداد کمی ژن دارد که از قاعده کلی منحرف شده و همپوشانی دارند.

ث. فشردگی.

هیچ نقطه گذاری بین کدون ها وجود ندارد. به عبارت دیگر، سه قلوها مثلاً با یک نوکلئوتید بی معنی از یکدیگر جدا نمی شوند. عدم وجود "علامت های نقطه گذاری" در کد ژنتیکی در آزمایشات ثابت شده است.

و تطبیق پذیری.

این رمز برای همه موجودات زنده روی زمین یکسان است. شواهد مستقیم از جهانی بودن کد ژنتیکی با مقایسه توالی های DNA با توالی های پروتئینی مربوطه به دست آمد. مشخص شد که همه ژنوم‌های باکتری و یوکاریوتی از مجموعه‌های یکسانی از مقادیر کد استفاده می‌کنند. استثنا وجود دارد، اما تعداد زیادی نیست.

اولین استثناها برای جهانی بودن کد ژنتیکی در میتوکندری برخی از گونه های جانوری یافت شد. این مربوط به کدون پایان‌دهنده UGA است که همان کدون UGG را می‌خواند و اسید آمینه تریپتوفان را رمزگذاری می‌کند. سایر انحرافات نادرتر از جهانی بودن نیز یافت شد.

MZ. کد ژنتیکی سیستمی برای ثبت اطلاعات ارثی در مولکول های اسید نوکلئیک است که بر اساس تناوب خاصی از توالی های نوکلئوتیدی در DNA یا RNA که کدون ها را تشکیل می دهند، می باشد.

مربوط به اسیدهای آمینه در پروتئین است.کد ژنتیکی چندین ویژگی دارد.

از همان نوکلئوتیدها استفاده می شود، به استثنای نوکلئوتید حاوی تیمین، که با یک نوکلئوتید مشابه حاوی اوراسیل جایگزین می شود که با حرف (در ادبیات روسی زبان) مشخص می شود. در مولکول‌های DNA و RNA، نوکلئوتیدها به صورت زنجیره‌ای قرار می‌گیرند و به این ترتیب، دنباله‌ای از حروف ژنتیکی به‌دست می‌آیند.

پروتئین های تقریباً همه موجودات زنده تنها از 20 نوع اسید آمینه ساخته شده اند. این اسیدهای آمینه را متعارف می نامند. هر پروتئین یک زنجیره یا چندین زنجیره از اسیدهای آمینه است که در یک توالی کاملاً مشخص به هم متصل شده اند. این توالی ساختار پروتئین و در نتیجه تمام خواص بیولوژیکی آن را تعیین می کند.

با این حال، در اوایل دهه 60 قرن بیستم، داده های جدید ناسازگاری فرضیه "کد بدون کاما" را نشان داد. سپس آزمایش‌ها نشان داد که کدون‌هایی که توسط کریک بی‌معنی در نظر گرفته می‌شوند، می‌توانند سنتز پروتئین را در شرایط آزمایشگاهی تحریک کنند و تا سال 1965 معنای تمام 64 سه قلو مشخص شد. معلوم شد که برخی از کدون ها به سادگی اضافی هستند، یعنی یک سری کامل از اسیدهای آمینه توسط دو، چهار یا حتی شش سه قلو کدگذاری می شوند.

خواص

جداول مطابقت بین کدون های mRNA و اسیدهای آمینه

کد ژنتیکی مشترک برای اکثر پرو و ​​یوکاریوت ها. جدول تمام 64 کدون و اسیدهای آمینه مربوطه را نشان می دهد. ترتیب پایه از انتهای 5 تا 3 اینچ mRNA است.

کد ژنتیکی استاندارد

1 پایه	پایه 2								3 پایه
	U		سی		آ		جی
U	UUU	(Phe/F) فنیل آلانین	UCU	(Ser/S) سرین	UAU	(Tyr/Y) تیروزین	UGU	(Cys/C) سیستئین	U
	UUC		UCC		UAC		UGC		سی
	UUA	(Leu/L) لوسین	UCA		UAA	متوقف کردن ( اخر)	U.G.A.	متوقف کردن ( عقیق)	آ
	UUG		UCG		UAG	متوقف کردن ( کهربا)	UGG	(Trp/W) تریپتوفان	جی
سی	CUU		CCU	(Pro/P) پرولین	CAU	(His/H) هیستیدین	C.G.U.	(ارگ/ر) آرژنین	U
	CUC		CCC		C.A.C.		C.G.C.		سی
	CUA		CCA		CAA	(Gln/Q) گلوتامین	C.G.A.		آ
	C.U.G.		CCG		CAG		CGG		جی
آ	AUU	(Ile/I) ایزولوسین	ACU	(Thr/T) ترئونین	AAU	(اسن/ن) آسپاراژین	AGU	(Ser/S) سرین	U
	AUC		ACC		A.A.C.		A.G.C.		سی
	AUA		ACA		AAA	(Lys/K) لیزین	A.G.A.	(ارگ/ر) آرژنین	آ
	آگوست	(Met/M) متیونین	A.C.G.		AAG		AGG		جی
جی	GUU	(Val/V) والین	G.C.U.	(الا/ ع) آلانین	GAU	(Asp/D) آسپارتیک اسید	GGU	(Gly/G) گلیسین	U
	GUC		شورای همکاری خلیج فارس		GAC		GGC		سی
	GUA		G.C.A.		GAA	(Glu/E) اسید گلوتامیک	GGA		آ
	G.U.G.		GCG		دهان بستن		GGG		جی

کدون AUG متیونین را کد می کند و همچنین محل شروع ترجمه است: اولین کدون AUG در ناحیه کد کننده mRNA به عنوان آغاز سنتز پروتئین عمل می کند. جدول معکوس (کدون های هر اسید آمینه و همچنین کدون های توقف نشان داده شده است)

علا/ع	GCU، GCC، GCA، GCG	Leu/L	UUA، UUG، CUU، CUC، CUA، CUG
ارگ/ر	CGU، CGC، CGA، CGG، AGA، AGG	Lys/K	AAA، AAG
اسن/ن	AAU، AAC	Met/M	آگوست
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
چسب	GAA، GAG	Thr/T	ACU، ACC، ACA، ACG
گلی/جی	GGU، GGC، GGA، GGG	Trp/W	UGG
او/ح	CAU، CAC	Tyr/Y	UAU، UAC
Ile/I	AUU، AUC، AUA	Val/V	GUU، GUC، GUA، GUG
شروع کنید	آگوست	متوقف کردن	UAG، UGA، UAA

تغییرات در کد ژنتیکی استاندارد

اولین نمونه از انحراف از کد ژنتیکی استاندارد در سال 1979 در طی مطالعه ای بر روی ژن های میتوکندری انسانی کشف شد. از آن زمان، چندین نوع مشابه پیدا شده است، از جمله انواع کدهای میتوکندری جایگزین، به عنوان مثال، خواندن کدون توقف UGA به عنوان کدون مشخص کننده تریپتوفان در مایکوپلاسماها. در باکتری ها و باستانی ها، HG و UG اغلب به عنوان کدون های شروع استفاده می شوند. در برخی موارد، ژن‌ها شروع به کدگذاری پروتئینی در کدون شروع می‌کنند که با کدون‌هایی که معمولاً توسط گونه استفاده می‌شود متفاوت است.

در برخی از پروتئین ها، اسیدهای آمینه غیر استاندارد، مانند سلنوسیستئین و پیرولیزین، بسته به توالی موجود در mRNA توسط ریبوزومی که کدون توقف را می خواند، وارد می شود. سلنوسیستئین در حال حاضر بیست و یکمین و پیرولیزین بیست و دومین اسید آمینه تشکیل دهنده پروتئین ها در نظر گرفته می شود.

با وجود این استثناها، همه موجودات زنده دارای کدهای ژنتیکی مشترکی هستند: کدون ها از سه نوکلئوتید تشکیل شده اند که دو نوکلئوتید اول تعیین کننده هستند؛ کدون ها توسط tRNA و ریبوزوم ها به دنباله ای از اسیدهای آمینه ترجمه می شوند.

انحراف از کد ژنتیکی استاندارد

مثال	کدون	معنای عادی	چنین می خواند:
برخی از انواع مخمر کاندیدا	C.U.G.	لوسین	سرین
میتوکندری، به ویژه در ساکارومایسس سرویزیه	CU (U، C، A، G)	لوسین	سرین
میتوکندری گیاهان عالی	CGG	آرژنین	تریپتوفان
میتوکندری (در همه موجودات مورد مطالعه بدون استثنا)	U.G.A.	متوقف کردن	تریپتوفان
ژنوم هسته ای مژه داران Euplotes	U.G.A.	متوقف کردن	سیستئین یا سلنوسیستئین
میتوکندری پستانداران، مگس سرکه، S. cerevisiaeو بسیاری از تک یاخته ها	AUA	ایزولوسین	متیونین = شروع
پروکاریوت ها	G.U.G.	والین	شروع کنید
یوکاریوت ها (نادر)	C.U.G.	لوسین	شروع کنید
یوکاریوت ها (نادر)	G.U.G.	والین	شروع کنید
پروکاریوت ها (نادر)	UUG	لوسین	شروع کنید
یوکاریوت ها (نادر)	A.C.G.	ترئونین	شروع کنید
میتوکندری پستانداران	AGC، AGU	سرین	متوقف کردن
میتوکندری مگس سرکه	A.G.A.	آرژنین	متوقف کردن
میتوکندری پستانداران	AG (A, G)	آرژنین	متوقف کردن

سیر تکاملی

اعتقاد بر این است که کد سه گانه در اوایل تکامل زندگی توسعه یافته است. اما وجود تفاوت در برخی از موجودات که در مراحل مختلف تکامل ظاهر شده اند نشان می دهد که او همیشه اینگونه نبوده است.

طبق برخی مدل‌ها، کد ابتدا به شکل اولیه وجود داشت، زمانی که تعداد کمی از کدون‌ها تعداد نسبتاً کمی از اسیدهای آمینه را تعیین کردند. معانی کدون دقیق تر و اسیدهای آمینه بیشتری را می توان بعداً معرفی کرد. در ابتدا، تنها دو پایه اول از سه پایه را می‌توان برای شناسایی استفاده کرد [که به ساختار tRNA بستگی دارد.

- لوین بی.ژن ها م.: 1987. ص 62.

همچنین ببینید

یادداشت

1. سانگر اف (1952). "آرایش آمینو اسیدها در پروتئین ها." Adv. پروتئین شیمیایی. 7 : 1-67. PMID.
2. ایچاس ام.کد بیولوژیکی - م.: میر، 1350.
3. Watson J. D., Crick F. H. (آوریل 1953). ساختار مولکولی اسیدهای نوکلئیک. ساختاری برای اسید نوکلئیک دئوکسی ریبوز. طبیعت. 171 : 737-738. PMID. ارجاع)
4. Watson J. D., Crick F. H. (مه 1953). پیامدهای ژنتیکی ساختار اسید دئوکسی ریبونوکلئیک. طبیعت. 171 : 964-967. PMID. از پارامتر |month= منسوخ شده استفاده می کند (راهنما)
5. Crick F. H. (آوریل 1966). "کد ژنتیکی - دیروز، امروز و فردا." کولد اسپرینگ هارب. علائم مقدار. Biol.: 1-9. PMID. از پارامتر |month= منسوخ شده استفاده می کند (راهنما)
6. Gamow G. (فوریه 1954). "رابطه احتمالی بین دئوکسی ریبونوکلئیک اسید و ساختارهای پروتئین." طبیعت. 173 : 318. DOI:10.1038/173318a0. PMID. از پارامتر |month= منسوخ شده استفاده می کند (راهنما)
7. Gamow G., Rich A., Ycas M. (1956). مشکل انتقال اطلاعات از اسیدهای نوکلئیک به پروتئین ها. Adv. Bio.l Med. فیزیک. 4 : 23-68. PMID.
8. Gamow G, Ycas M. (1955). "همبستگی آماری ترکیب پروتئین و ریبونوکلئیک اسید". Proc. Natl. آکادمی علمی ایالات متحده آمریکا.. 41 : 1011-1019. PMID.
9. Crick F. H.، Griffith J. S.، Orgel L. E. (1957).

این روشی است که در آن اطلاعات توالی بیست آمینو اسید با استفاده از یک توالی چهار نوکلئوتید رمزگذاری می شود.

ویژگی های ژنکد

1) سه گانه
یک اسید آمینه توسط سه نوکلئوتید کدگذاری می شود. در DNA آنها سه گانه، در mRNA - کدون، در tRNA - آنتی کدون نامیده می شوند. در مجموع 64 سه قلو وجود دارد که 61 مورد از آنها آمینو اسیدها را رمزگذاری می کنند و 3 مورد سیگنال توقف هستند - آنها به ریبوزوم مکانی را نشان می دهند که سنتز پروتئین باید متوقف شود.

2) انحطاط (زیادی)
61 کدون وجود دارد که آمینواسیدها را کد می کنند، اما فقط 20 اسید آمینه وجود دارد، بنابراین اکثر اسیدهای آمینه توسط کدون های متعدد کدگذاری می شوند. به عنوان مثال، اسید آمینه آلانین توسط چهار کدون رمزگذاری می شود - HCU، HCC، HCA، HCH. استثنا متیونین است، که توسط یک کدون AUG کدگذاری می شود - در یوکاریوت ها این کدون شروع در هنگام ترجمه است.

3) عدم ابهام
هر کدون فقط یک اسید آمینه را کد می کند. به عنوان مثال، کدون HCU تنها یک اسید آمینه - آلانین را رمزگذاری می کند.

4) تداوم
هیچ جداکننده ("علائم نقطه گذاری") بین سه قلوها وجود ندارد. به همین دلیل، هنگامی که یک نوکلئوتید حذف یا وارد می شود، "تغییر چارچوب خواندن" رخ می دهد: با شروع از محل جهش، خواندن کد سه گانه مختل می شود و پروتئین کاملاً متفاوتی سنتز می شود.

5) تطبیق پذیری
کد ژنتیکی برای همه موجودات زنده روی زمین یکسان است.