Че разбират кое свойство на генетичния код е универсално. Биосинтеза на протеини и нуклеинови киселини

0

Генетичен коде метод, характерен за всички живи организми за кодиране на аминокиселинната последователност на протеините, използвайки последователността от нуклеотиди в ДНК молекула.

Внедряването на генетична информация в живите клетки (т.е. синтеза на протеин, кодиран в ДНК) се извършва с помощта на два матрични процеса: транскрипция (т.е. синтез на иРНК върху ДНК матрица) и транслация (синтез на полипептидна верига върху иРНК матрица).

ДНК използва четири нуклеотида - аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T). Тези „букви“ съставляват азбуката на генетичния код. РНК използва същите нуклеотиди, с изключение на тимина, който е заменен с урацил (U). В молекулите на ДНК и РНК нуклеотидите са подредени във вериги и по този начин се получават последователности от „букви“.

Нуклеотидната последователност на ДНК съдържа кодови „думи“ за всяка аминокиселина на бъдещата протеинова молекула - генетичния код. Състои се в определена последователност на подреждане на нуклеотидите в ДНК молекулата.

Три последователни нуклеотида кодират „името“ на една аминокиселина, тоест всяка от 20-те аминокиселини е криптирана от значима единица код - комбинация от три нуклеотида, наречена триплет или кодон.

В момента кодът на ДНК е напълно дешифриран и можем да говорим за определени свойства, характерни за тази уникална биологична система, която осигурява превода на информация от „езика“ на ДНК на „езика“ на протеина.

Носителят на генетична информация е ДНК, но тъй като иРНК, копие на една от ДНК веригите, участва пряко в синтеза на протеини, генетичният код най-често се записва на „езика на РНК“.

Аминокиселина	РНК кодиращи триплети
Аланин	GCU GCC GCA GCH
Аргинин	ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ
Аспарагин	AAU AAC
Аспарагинова киселина	GAU GAC
Валин	ГУУ ГУТС ГУА ГУГ
Хистидин	ЦАУ ЦАЦ
Глицин	GGU GGC GGA YYY
Глутамин	CAA CAG
Глутаминова киселина	GAA GAG
Изолевцин	AUU AUC AUA
левцин	ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ
Лизин	AAA AAG
Метионин	АВГУСТ
Пролин	ЦЦУ ЦЦ ЦЦЦГ
серин	UCU UCC UCA UCG ASU AGC
Тирозин	UAU UAC
Треонин	ACU ACC ACA ACG
Триптофан	UGG
Фенилаланин	УУУ УУК
цистеин	UGU UGC
СПРИ СЕ	UGA UAG UAA

Свойства на генетичния код

Три последователни нуклеотида (азотни бази) кодират „името“ на една аминокиселина, тоест всяка от 20-те аминокиселини е криптирана със значима кодова единица – комбинация от три нуклеотида, т.нар. триплет или кодон

Триплет (кодон)- последователност от три нуклеотида (азотни бази) в ДНК или РНК молекула, която определя включването на определена аминокиселина в протеиновата молекула по време на нейния синтез.

• Уникалност (дискретност)

Един триплет не може да кодира две различни аминокиселини; той криптира само една аминокиселина. Специфичен кодон съответства само на една аминокиселина.

Всяка аминокиселина може да бъде дефинирана с повече от един триплет. изключение - метионинИ триптофан. С други думи, няколко кодона могат да съответстват на една и съща аминокиселина.

• Не препокриващи се

Една и съща основа не може да се появи в два съседни кодона едновременно.

Някои триплети не кодират аминокиселини, а са своеобразни „пътни знаци“, които определят началото и края на отделните гени (UAA, UAG, UGA), всеки от които означава прекратяване на синтеза и се намира в края на всеки ген, така че можем да говорим за полярността на генетичния код.

При животните и растенията, гъбите, бактериите и вирусите един и същи триплет кодира един и същи вид аминокиселина, тоест генетичният код е еднакъв за всички живи същества. С други думи, универсалността е способността на генетичния код да работи еднакво в организми с различни нива на сложност от вируси до хора. Универсалността на ДНК кода потвърждава единството на произхода на целия живот на нашата планета. Методите на генното инженерство се основават на използването на свойството универсалност на генетичния код.

Из историята на откриването на генетичния код

За първи път идеята за съществуване генетичен кодформулиран от А. Даун и Г. Гамов през 1952 - 1954 г. Учените са показали, че нуклеотидната последователност, която уникално определя синтеза на определена аминокиселина, трябва да съдържа най-малко три единици. По-късно е доказано, че такава последователност се състои от три нуклеотида, наречени кодонили триплет.

Въпросите кои нуклеотиди са отговорни за включването на определена аминокиселина в протеинова молекула и колко нуклеотиди определят това включване остават неразрешени до 1961 г. Теоретичният анализ показа, че кодът не може да се състои от един нуклеотид, тъй като в този случай могат да бъдат кодирани само 4 аминокиселини. Кодът обаче не може да бъде дублет, т.е. комбинация от два нуклеотида от четирибуквена „азбука“ не може да покрие всички аминокиселини, тъй като теоретично са възможни само 16 такива комбинации (4 2 = 16).

За кодиране на 20 аминокиселини, както и стоп сигнал, показващ края на протеиновата последователност, са достатъчни три последователни нуклеотида, когато броят на възможните комбинации е 64 (4 3 = 64).

Наследствената информация е информация за структурата на протеин (информация за какви аминокиселини в какъв редсе комбинират по време на синтеза на първичната протеинова структура).

Информацията за структурата на протеините е кодирана в ДНК, която при еукариотите е част от хромозомите и се намира в ядрото. Нарича се секцията от ДНК (хромозома), в която е кодирана информация за един протеин ген.

Транскрипция- Това е пренаписване на информация от ДНК в иРНК (информационна РНК). иРНК пренася информация от ядрото до цитоплазмата, до мястото на протеиновия синтез (до рибозомата).

Излъчванее процес на биосинтеза на протеини. Вътре в рибозомата тРНК антикодони са прикрепени към иРНК кодоните според принципа на комплементарност. Рибозомата свързва аминокиселините, донесени от tRNA, с пептидна връзка, за да образува протеин.

Реакциите на транскрипция, транслация, както и репликация (удвояване на ДНК) са реакции матричен синтез. ДНК служи като матрица за синтеза на иРНК, а иРНК служи като матрица за синтеза на протеини.

Генетичен коде начинът, по който информацията за структурата на протеина се записва в ДНК.

Генекодови свойства

1) Тройка: Една аминокиселина е кодирана от три нуклеотида. Тези 3 нуклеотида в ДНК се наричат ​​триплет, в иРНК - кодон, в тРНК - антикодон (но в Единния държавен изпит може да има и „код триплет“ и т.н.)

2) Съкращаване(дегенерация): има само 20 аминокиселини и има 61 триплета, кодиращи аминокиселини, така че всяка аминокиселина е кодирана от няколко триплета.

3) Еднозначност: Всеки триплет (кодон) кодира само една аминокиселина.

4) Универсалност: Генетичният код е еднакъв за всички живи организми на Земята.

Задачи

Задачи върху броя на нуклеотидите/аминокиселините
3 нуклеотида = 1 триплет = 1 аминокиселина = 1 тРНК

Задачи в ATGC
ДНК тРНК тРНК
A U A
Т А У
G C G
Ц Г Ц

Изберете една, най-правилната опция. иРНК е копие
1) един ген или група гени
2) вериги на протеинови молекули
3) една протеинова молекула
4) части от плазмената мембрана

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Първичната структура на протеиновата молекула, определена от нуклеотидната последователност на иРНК, се формира в процеса
1) излъчвания
2) транскрипции
3) редупликация
4) денатурация

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Коя последователност правилно отразява пътя на внедряване на генетичната информация
1) ген --> иРНК --> протеин --> признак
2) признак --> протеин --> иРНК --> ген --> ДНК
3) иРНК --> ген --> протеин --> признак
4) ген --> ДНК --> черта --> протеин

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Изберете правилната последователност на трансфер на информация в процеса на синтез на протеини в клетката
1) ДНК -> информационна РНК -> протеин
2) ДНК -> преносна РНК -> протеин
3) рибозомна РНК -> преносна РНК -> протеин
4) рибозомна РНК -> ДНК -> трансферна РНК -> протеин

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Същата аминокиселина съответства на CAA антикодона на трансферната РНК и триплета на ДНК
1) ГВА
2) ЦУУ
3) GTT
4) GAA

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Антикодонът AAU на трансферната РНК съответства на триплет на ДНК
1) ТТА
2) AAT
3) ААА
4) ТТТ

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Всяка аминокиселина в клетката е кодирана за
1) една ДНК молекула
2) няколко тройки
3) няколко гена
4) един нуклеотид

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Функционална единица на генетичния код
1) нуклеотид
2) триплет
3) аминокиселина
4) тРНК

Отговор

Изберете три опции. В резултат на реакции от матричен тип се синтезират молекули
1) полизахариди
2) ДНК
3) монозахариди
4) иРНК
5) липиди
6) катерица

Отговор

1. Определете последователността на процесите, които осигуряват биосинтеза на протеини. Запишете съответната последователност от числа.
1) образуване на пептидни връзки между аминокиселини
2) прикрепване на тРНК антикодона към комплементарния кодон на тРНК
3) синтез на иРНК молекули върху ДНК
4) движение на иРНК в цитоплазмата и нейното местоположение върху рибозомата
5) доставка на аминокиселини до рибозомата с помощта на тРНК

Отговор

2. Установете последователността на процесите на биосинтеза на протеини в клетката. Запишете съответната последователност от числа.
1) образуване на пептидна връзка между аминокиселини
2) взаимодействие между иРНК кодона и тРНК антикодона
3) освобождаване на тРНК от рибозомата
4) свързване на иРНК с рибозома
5) освобождаване на иРНК от ядрото в цитоплазмата
6) синтез на иРНК

Отговор

3. Установете последователността на процесите в биосинтезата на протеини. Запишете съответната последователност от числа.
1) синтез на иРНК върху ДНК
2) доставка на аминокиселини до рибозомата
3) образуване на пептидна връзка между аминокиселините
4) добавяне на аминокиселина към тРНК
5) свързване на иРНК с две рибозомни субединици

Отговор

4. Установете последователността на етапите на биосинтеза на протеини. Запишете съответната последователност от числа.
1) отделяне на протеинова молекула от рибозома
2) прикрепване на тРНК към началния кодон
3) транскрипция
4) удължаване на полипептидната верига
5) освобождаване на иРНК от ядрото в цитоплазмата

Отговор

5. Установете правилната последователност на процесите на биосинтеза на протеини. Запишете съответната последователност от числа.
1) добавяне на аминокиселина към пептид
2) синтез на иРНК върху ДНК
3) разпознаване по кодон на антикодон
4) комбиниране на иРНК с рибозома
5) освобождаване на иРНК в цитоплазмата

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Кой антикодон на трансферната РНК съответства на триплета TGA в молекулата на ДНК
1) ACU
2) ЦУГ
3) UGA
4) AHA

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Генетичният код е универсален, защото
1) всяка аминокиселина е кодирана от тройка нуклеотиди
2) мястото на аминокиселината в протеиновата молекула се определя от различни триплети
3) тя е еднаква за всички същества, живеещи на Земята
4) няколко триплета кодират една аминокиселина

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Нарича се участък от ДНК, съдържащ информация за една полипептидна верига
1) хромозома
2) триплет
3) геном
4) код

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Преводът е процесът, чрез който
1) броят на ДНК веригите се удвоява
2) иРНК се синтезира върху матрицата на ДНК
3) протеините се синтезират върху иРНК матрицата в рибозомата
4) водородните връзки между молекулите на ДНК се разкъсват

Отговор

Изберете три опции. Биосинтезата на протеини, за разлика от фотосинтезата, се случва
1) в хлоропластите
2) в митохондриите
3) при реакции на пластичен обмен
4) в реакции от матричен тип
5) в лизозомите
6) в левкопласти

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Матрицата за транслация е молекула
1) тРНК
2) ДНК
3) рРНК
4) иРНК

Отговор

Всички освен две от следните характеристики могат да се използват за описание на функциите на нуклеиновите киселини в клетката. Определете две характеристики, които „отпадат“ от общия списък и запишете номерата, под които са посочени в таблицата.
1) осъществява хомеостаза
2) прехвърляне на наследствена информация от ядрото към рибозомата
3) участват в биосинтезата на протеини
4) са част от клетъчната мембрана
5) транспортни аминокиселини

Отговор

АМИНОКИСЕЛИНИ - иРНК КОДОНИ
Колко иРНК кодона кодират информация за 20 аминокиселини? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

АМИНОКИСЕЛИНИ - НУКЛЕОТИДИ иРНК
1. Част от полипептида се състои от 28 аминокиселинни остатъка. Определете броя на нуклеотидите в секцията иРНК, съдържаща информация за първичната структура на протеина.

Отговор

2. Колко нуклеотида съдържа m-RNA, ако протеинът, синтезиран от нея, се състои от 180 аминокиселинни остатъка? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

АМИНОКИСЕЛИНИ – ДНК НУКЛЕОТИДИ
1. Протеинът се състои от 140 аминокиселинни остатъка. Колко нуклеотида има в генната област, която кодира първичната структура на този протеин?

Отговор

2. Протеинът се състои от 180 аминокиселинни остатъка. Колко нуклеотида има в гена, който кодира последователността от аминокиселини в този протеин. Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

3. Фрагмент от ДНК молекула кодира 36 аминокиселини. Колко нуклеотида съдържа този фрагмент от ДНК молекула? Запишете съответното число в отговора си.

Отговор

4. Полипептидът се състои от 20 аминокиселинни единици. Определете броя на нуклеотидите в генната област, която кодира тези аминокиселини в полипептида. Напишете отговора си като число.

Отговор

5. Колко нуклеотида в генна секция кодират протеинов фрагмент от 25 аминокиселинни остатъка? В отговора си запишете само съответното число.

Отговор

6. Колко нуклеотида във фрагмент от шаблонната верига на ДНК кодират 55 аминокиселини в полипептиден фрагмент? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

АМИНОКИСЕЛИНИ – тРНК
1. Какъв брой тРНК са участвали в синтеза на протеин, който включва 130 аминокиселини? Напишете съответното число в отговора си.

Отговор

2. Фрагмент от протеинова молекула се състои от 25 аминокиселини. Колко tRNA молекули са участвали в създаването му? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

АМИНОКИСЕЛИНИ - ТРИПЛЕТИ
1. Колко триплета съдържа ДНК фрагмент, кодиращ 36 аминокиселини? Запишете съответното число в отговора си.

Отговор

2. Колко триплета кодират 32 аминокиселини? В отговора си запишете само съответното число.

Отговор

НУКЛЕОТИДИ – АМИНОКИСЕЛИНИ
1. Какъв брой аминокиселини е криптиран в генна секция, съдържаща 129 нуклеотидни остатъка?

Отговор

2. Колко аминокиселини кодират 900 нуклеотида? В отговора си запишете само съответното число.

Отговор

3. Какъв е броят на аминокиселините в един протеин, ако неговият кодиращ ген се състои от 600 нуклеотида? В отговора си запишете само съответното число.

Отговор

4. Колко аминокиселини кодират 1203 нуклеотида? В отговора си запишете само броя на аминокиселините.

Отговор

5. Колко аминокиселини са необходими за синтеза на полипептид, ако кодиращата част на тРНК съдържа 108 нуклеотида? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

mRNA NUCLEOTIDES - ДНК НУКЛЕОТИДИ
В протеиновия синтез участва молекула иРНК, чийто фрагмент съдържа 33 нуклеотидни остатъка. Определете броя на нуклеотидните остатъци в участък от шаблонната верига на ДНК.

Отговор

НУКЛЕОТИДИ - тРНК
Какъв брой транспортни РНК молекули са участвали в транслацията, ако генната област съдържа 930 нуклеотидни остатъка?

Отговор

ТРИПЛЕТИ - иРНК НУКЛЕОТИДИ
Колко нуклеотида има във фрагмент от молекула на иРНК, ако фрагментът от кодиращата верига на ДНК съдържа 130 триплета? Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

тРНК - АМИНОКИСЕЛИНИ
Определете броя на аминокиселините в протеина, ако 150 tRNA молекули са участвали в процеса на транслация. Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

ПРОСТО
Колко нуклеотида съставляват един иРНК кодон?

Отговор

Колко нуклеотида съставляват един стоп кодон на иРНК?

Отговор

Колко нуклеотида изграждат антикодона на тРНК?

Отговор

ТРУДЕН
Протеинът има относително молекулно тегло 6000. Определете броя на аминокиселините в една протеинова молекула, ако относителното молекулно тегло на един аминокиселинен остатък е 120. Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

В две вериги на една ДНК молекула има 3000 нуклеотида. В една от веригите е кодирана информация за структурата на протеина. Пребройте колко аминокиселини са кодирани в една ДНК верига. В отговора си запишете само числото, съответстващо на броя на аминокиселините.

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Същата аминокиселина съответства на антикодона UCA на трансферна РНК и триплет в гена на ДНК
1) GTA
2) ACA
3) TGT
4) TCA

Отговор

Изберете една, най-правилната опция. Синтезът на хемоглобин в клетката се контролира от определен сегмент от молекулата на ДНК, т.нар.
1) кодон
2) триплет
3) генетичен код
4) геном

Отговор

В кои от изброените клетъчни органели протичат реакциите на матричен синтез? Посочете три верни твърдения от общия списък и запишете номерата, под които са посочени.
1) центриоли
2) лизозоми
3) апарат на Голджи
4) рибозоми
5) митохондрии
6) хлоропласти

Отговор

Погледнете снимката, изобразяваща процесите, протичащи в клетка, и посочете A) името на процеса, обозначен с буквата A, B) името на процеса, обозначен с буквата B, C) името на типа химични реакции. За всяка буква изберете съответния термин от предоставения списък.
1) репликация
2) транскрипция
3) излъчване
4) денатурация
5) екзотермични реакции
6) реакции на заместване
7) реакции на матричен синтез
8) реакции на разделяне

Отговор

Погледнете снимката и посочете (A) името на процес 1, (B) името на процес 2, (c) крайния продукт на процес 2. За всяка буква изберете съответния термин или концепция от предоставения списък.
1) тРНК
2) полипептид
3) рибозома
4) репликация
5) излъчване
6) спрежение
7) АТФ
8) транскрипция

Отговор

Установете съответствие между процесите и етапите на протеиновия синтез: 1) транскрипция, 2) транслация. Напишете числата 1 и 2 в правилния ред.
А) пренос на аминокиселини чрез тРНК
Б) Включена е ДНК
Б) синтез на иРНК
Г) образуване на полипептидна верига
Г) възниква върху рибозомата

Отговор

Всички знаци, изброени по-долу, с изключение на два, се използват за описание на процеса, показан на фигурата. Идентифицирайте две характеристики, които „отпадат“ от общия списък и запишете номерата, под които са посочени.
1) съгласно принципа на комплементарност, нуклеотидната последователност на ДНК молекула се превежда в нуклеотидната последователност на молекули от различни видове РНК
2) процес на превръщане на нуклеотидна последователност в аминокиселинна последователност
3) процесът на прехвърляне на генетична информация от ядрото до мястото на протеинов синтез
4) процесът протича в рибозомите
5) резултатът от процеса е синтеза на РНК

Отговор

Молекулното тегло на полипептида е 30 000 c.u. Определете дължината на гена, който го кодира, ако молекулното тегло на една аминокиселина е средно 100, а разстоянието между нуклеотидите в ДНК е 0,34 nm. Запишете само съответното число в отговора си.

Отговор

Изберете две от изброените по-долу реакции, които са свързани с реакции на матричен синтез. Запишете номерата, под които са посочени.
1) синтез на целулоза
2) Синтез на АТФ
3) биосинтеза на протеини
4) окисление на глюкоза
5) ДНК репликация

Отговор

Изберете три верни отговора от шест и запишете номерата, под които са посочени в таблицата. Матричните реакции в клетките включват
1) ДНК репликация
2) фотолиза на водата
3) Синтез на РНК
4) хемосинтеза
5) биосинтеза на протеини
6) Синтез на АТФ

Отговор

Всички от следните характеристики, с изключение на две, могат да се използват за описание на процеса на биосинтеза на протеин в клетка. Определете две характеристики, които „отпадат“ от общия списък, и запишете номерата, под които са посочени във вашия отговор.
1) Процесът протича в присъствието на ензими.
2) Централната роля в процеса принадлежи на РНК молекулите.
3) Процесът е придружен от синтеза на АТФ.
4) Аминокиселините служат като мономери за образуване на молекули.
5) Сглобяването на протеинови молекули се извършва в лизозоми.

Отговор

Намерете три грешки в дадения текст. Посочете номерата на предложенията, в които са направени.(1) По време на биосинтеза на протеини възникват реакции на матричен синтез. (2) Реакциите на шаблонен синтез включват само реакции на репликация и транскрипция. (3) В резултат на транскрипцията се синтезира тРНК, матрица за която е цялата ДНК молекула. (4) След преминаване през порите на ядрото иРНК навлиза в цитоплазмата. (5) Информационната РНК участва в синтеза на tRNA. (6) Трансферната РНК доставя аминокиселини за сглобяване на протеини. (7) Енергията на АТФ молекулите се изразходва за свързването на всяка аминокиселина с тРНК.

Отговор

Всички с изключение на две от следните понятия се използват за описание на превода. Идентифицирайте две характеристики, които „изпадат“ от общия списък и запишете номерата, под които са посочени.
1) матричен синтез
2) митотично вретено
3) полизома
4) пептидна връзка
5) висши мастни киселини

Отговор

© Д. В. Поздняков, 2009-2019

Поредицата от статии, описващи произхода на Гражданския кодекс, може да се третира като разследване на събития, за които са останали много следи. Разбирането на тези статии обаче изисква известни усилия за разбиране на молекулярните механизми на протеиновия синтез. Тази статия е уводната за поредица от авторски публикации, посветени на произхода на генетичния код, и е най-доброто място да започнете да се запознавате с тази тема.
Обикновено генетичен код(GC) се определя като метод (правило) за кодиране на протеин върху първичната структура на ДНК или РНК. В литературата най-често се пише, че това е уникално съответствие на последователност от три нуклеотида в ген на една аминокиселина в синтезиран протеин или крайната точка на протеиновия синтез. В това определение обаче има две грешки. Това се отнася за 20 така наречени канонични аминокиселини, които са част от протеините на всички живи организми без изключение. Тези аминокиселини са протеинови мономери. Грешките са както следва:

1) Няма 20 канонични аминокиселини, а само 19. Можем да наречем аминокиселина вещество, което едновременно съдържа аминогрупа -NH2 и карбоксилна група - COOH. Факт е, че протеиновият мономер - пролин - не е аминокиселина, тъй като съдържа иминогрупа вместо аминогрупа, следователно е по-правилно да се нарича пролин иминокиселина. Въпреки това, в бъдеще във всички статии, посветени на НА, за удобство ще напиша около 20 аминокиселини, което предполага посочения нюанс. Аминокиселинните структури са показани на фиг. 1.

Ориз. 1. Структури на каноничните аминокиселини. Аминокиселините имат постоянни части, обозначени в черно на фигурата, и променливи части (или радикали), обозначени в червено.

2) Съответствието на аминокиселините с кодоните не винаги е еднозначно. За нарушение на случаите на недвусмисленост вижте по-долу.

Появата на GC означава появата на кодиран протеинов синтез. Това събитие е едно от ключовите събития за еволюционното формиране на първите живи организми.

Структурата на HA е представена в кръгова форма на фиг. 2.

Ориз. 2. Генетичен кодв кръгла форма. Вътрешният кръг е първата буква на кодона, вторатакръг - втората буква на кодона, третият кръг - третата буква на кодона, четвъртият кръг - обозначението на аминокиселините в трибуквено съкращение; P - полярни аминокиселини, NP - неполярни аминокиселини. За яснота на симетрията избраният ред на символите е важен U - C - A - G .

И така, нека започнем да описваме основните свойства на НА.

1. Тройност.Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от три нуклеотида.

2. Наличие на междугенни препинателни знаци.Междугенните препинателни знаци включват последователности от нуклеинова киселина, при които транслацията започва или завършва.

Преводът не може да започне от всеки кодон, а само от строго определен - стартиране. Стартовият кодон включва триплета AUG, от който започва транслацията. В този случай този триплет кодира или метионин, или друга аминокиселина - формилметионин (при прокариотите), която може да бъде включена само в началото на протеиновия синтез. В края на всеки ген, кодиращ полипептид, има поне един от 3 стоп кодони, или стоп светлини: UAA, UAG, UGA. Те прекратяват транслацията (т.нар. протеинов синтез на рибозомата).

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

4. Не препокриващи се.Кодоните не се припокриват един с друг; всеки има свой собствен подреден набор от нуклеотиди, който не се припокрива с подобни набори от съседни кодони.

5. Дегенерация.Обратното съответствие в посока аминокиселина към кодон е двусмислено. Това свойство се нарича израждане. Серияе набор от кодони, които кодират една аминокиселина, с други думи, това е група еквивалентни кодони. Нека си представим кодона като XYZ. Ако XY определя „смисъла“ (т.е. аминокиселина), тогава кодонът се нарича силен. Ако, за да се определи значението на кодон, е необходим определен Z, тогава се извиква такъв кодон слаб.

Дегенерацията на кода е тясно свързана с двусмислието на сдвояването кодон-антикодон (антикодон означава последователност от три нуклеотида на тРНК, която може да се сдвоява допълнително с кодон на информационна РНК (вижте две статии за повече подробности относно това: Молекулярни механизми за осигуряване на израждане на кодаИ Правилото на Лагерквист. Физико-химично обосноваване на симетриите и отношенията на Румер). Един антикодон на тРНК може да разпознае един до три кодона на тРНК.

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

Известни са три изключения.

Първо. При прокариотите, на първа позиция (главна буква), той кодира формилметионин, а на всяка друга позиция, метионин.В началото на гена, формилметионинът е кодиран както от обичайния кодон на метионин AUG, така и от кодона на валин GUG или левцин UUG , които в рамките на гена кодират съответно валин и левцин.

В много протеини формилметионинът се разцепва или формилната група се отстранява, в резултат на което формилметионинът се превръща в обикновен метионин.

Второ. През 1986 г. няколко групи изследователи откриха, че UGA стоп кодонът на иРНК може да кодира селеноцистеин (виж Фиг. 3), при условие че е последван от специална нуклеотидна последователност.

Ориз. 3. Структура на 21-вата аминокиселина - селеноцистеин.

U E. coli(това е латинското наименование на Escherichia coli) selenocysteyl-tRNA по време на транслация разпознава UGA кодона в иРНК, но само в определен контекст: за да бъде UGA кодонът разпознат като значим, последователност от 45 нуклеотида в дължина, разположена след UGA кодонът е важен.

Разгледаният пример показва, че ако е необходимо, живият организъм може да промени значението на стандартния генетичен код. В този случай генетичната информация, съдържаща се в гените, е кодирана по по-сложен начин. Значението на кодона се определя в контекста на специфична разширена нуклеотидна последователност и с участието на няколко силно специфични протеинови фактора. Важно е, че селеноцистеиновата тРНК е открита в представители на трите клона на живота (археи, еубактерии и еукариоти), което показва древния произход на синтеза на селеноцистеин и възможното му присъствие в последния универсален общ прародител (който ще ще бъдат обсъдени в други статии). Най-вероятно селеноцистеинът се намира във всички живи организми без изключение. Но във всеки даден организъм селеноцистеинът се намира в не повече от десетки протеини. Той е част от активните центрове на ензими, в редица хомолози на които обикновеният цистеин може да функционира в подобна позиция.

Доскоро се смяташе, че UGA кодонът може да се разчете като селеноцистеин или терминал, но наскоро беше показано, че при ресничестите Euplotes UGA кодонът кодира или цистеин, или селеноцистеин. См. " Генетичен кодпозволява несъответствия"

Трето изключение. Някои прокариоти (5 вида археи и една еубактерия - информацията в Уикипедия е много остаряла) съдържат специална киселина - пиролизин (фиг. 4). Той е кодиран от триплета UAG, който в каноничния код служи като терминатор на превода. Предполага се, че в този случай, подобно на случая с кодирането на селеноцистеин, четенето на UAG като пиролизин кодон се извършва поради специална структура на иРНК. Пиролизин тРНК съдържа антикодона CTA и е аминоацилиран от клас 2 ARSases (за класификацията на ARSases вижте статията „Кодазите помагат да се разбере как генетичен код ").

UAG рядко се използва като стоп кодон и когато се използва, често е последван от друг стоп кодон.

Ориз. 4. Структура на 22-та аминокиселина на пиролизина.

7. Универсалност.След като дешифрирането на Гражданския кодекс приключи в средата на 60-те години на миналия век, дълго време се смяташе, че кодът е еднакъв във всички организми, което показва единството на произхода на целия живот на Земята.

Нека се опитаме да разберем защо Гражданският кодекс е универсален. Факт е, че ако поне едно правило за кодиране се промени в тялото, това ще доведе до промяна в структурата на значителна част от протеините. Такава промяна би била твърде драстична и следователно почти винаги смъртоносна, тъй като промяната в значението само на един кодон може да засегне средно 1/64 от всички аминокиселинни последователности.

Това води до една много важна идея: GC почти не се е променил от създаването си преди повече от 3,5 милиарда години. Това означава, че неговата структура носи следа от произхода си и анализът на тази структура може да помогне да се разбере как точно е могъл да възникне GC.

Всъщност НА може да се различава донякъде при бактериите, митохондриите, ядрения код на някои реснички и дрожди. В момента има поне 17 генетични кода, които се различават от каноничния с 1-5 кодона.Общо във всички известни варианти на отклонения от универсалния GK се използват 18 различни замествания на значението на кодона. Най-много отклонения от стандартния код са известни за митохондриите - 10. Прави впечатление, че митохондриите на гръбначните, плоските червеи и бодлокожите са кодирани с различни кодове, а плесенните гъби, протозоите и червеите са кодирани с един.

Еволюционната близост на видовете изобщо не гарантира, че те имат подобни GC. Генетичните кодове могат да варират дори между различните видове микоплазма (някои видове имат каноничен код, докато други имат различен). Подобна ситуация се наблюдава и при дрождите.

Важно е да се отбележи, че митохондриите са потомци на симбиотични организми, които са се приспособили да живеят вътре в клетките. Те имат силно намален геном; някои гени са се преместили в клетъчното ядро. Следователно промените в НА при тях вече не са толкова драматични.

Изключенията, открити по-късно, са от особен интерес от еволюционна гледна точка, тъй като те могат да помогнат да се хвърли светлина върху механизмите на еволюцията на кода.

Маса 1.

Митохондриални кодове в различни организми.

Кодон	Универсален код	Митохондриални кодове
		Гръбначни	Безгръбначни	мая	растения
U.G.A.	СПРИ СЕ	Trp	Trp	Trp	СПРИ СЕ
БЗНС	Ил	Мет	Мет	Мет	Ил
CUA	лев	лев	лев	Thr	лев
А.Г.А.	Арг	СПРИ СЕ	сер	Арг	Арг
AGG	Арг	СПРИ СЕ	сер	Арг	Арг

Три механизма за промяна на аминокиселината, кодирана от кода.

Първият е, когато даден кодон не се използва (или почти не се използва) от някакъв организъм поради неравномерното появяване на някои нуклеотиди (GC състав) или комбинации от нуклеотиди. В резултат на това такъв кодон може напълно да изчезне от употреба (например поради загуба на съответната тРНК) и по-късно може да се използва за кодиране на друга аминокиселина, без да причинява значителна вреда на тялото. Този механизъм може да е отговорен за появата на някои кодови диалекти в митохондриите.

Второто е трансформирането на стоп кодона в смисъла на яйцеклетки. В този случай някои от преведените протеини може да имат добавки. Ситуацията обаче се спасява частично от факта, че много гени често завършват не с един, а с два стоп кодона, тъй като са възможни грешки в транслацията, при които стоп кодоните се четат като аминокиселини.

Третото е възможно двусмислено четене на определени кодони, какъвто е случаят при някои гъби.

8 . Свързаност.Групи от еквивалентни кодони (т.е. кодони, които кодират една и съща аминокиселина) се наричат в сериали. GC съдържа 21 серии, включително стоп кодони. По-нататък за определеност ще се нарича всяка група кодони връзка,ако от всеки кодон от тази група можете да отидете до всички други кодони от същата група чрез последователни нуклеотидни замествания. От 21 серии 18 са свързани.2 серии съдържат по един кодон и само 1 серия за аминокиселината серин е несвързана и се разпада на две свързани подсерии.

Ориз. 5. Графики на свързаност за някои кодови серии. a - свързана серия от валин; b - свързана серия от левцин; Сериновите серии са некохерентни и се разделят на две свързани подсерии. Фигурата е взета от статията на V.A. Ратнър" Генетичен кодкато система."

Свойството на свързаност може да се обясни с факта, че по време на периода на формиране GC улови нови кодони, които бяха минимално различни от вече използваните.

9. Редовностсвойства на аминокиселините въз основа на корените на триплетите. Всички аминокиселини, кодирани от триплети на корена U, са неполярни, нямат екстремни свойства и размери и имат алифатни радикали. Всички триплети с корен C имат силни основи и кодираните от тях аминокиселини са относително малки по размер. Всички триплети с корен А имат слаби основи и кодират полярни аминокиселини с не малък размер. Кодоните с корен G се характеризират с екстремни и аномални варианти на аминокиселини и серии. Те кодират най-малката аминокиселина (глицин), най-дългата и най-плоската (триптофан), най-дългата и най-грубата (аргинин), най-реактивната (цистеин) и образуват аномална подсерия за серин.

10. блоковост.Универсалният граждански кодекс е „блоков“ кодекс. Това означава, че аминокиселини с подобни физикохимични свойства са кодирани от кодони, които се различават една от друга с една база. Блоковата природа на кода е ясно видима на следващата фигура.

Ориз. 6. Блокова структура на ГК. Аминокиселините с алкилова група са посочени в бяло.

Ориз. 7. Цветно представяне на физикохимичните свойства на аминокиселините, базирано на стойностите, описани в книгатаСтайърс "Биохимия". Отляво е хидрофобност. Вдясно е способността да се образува алфа спирала в протеин. Червен, жълт и син цвят показват аминокиселини с висока, средна и ниска хидрофобност (вляво) или съответната степен на способност за образуване на алфа спирала (вдясно).

Свойството блоковост и редовност може да се обясни и с факта, че по време на периода на формиране GC улови нови кодони, които бяха минимално различни от вече използваните.

Кодони с еднакви първи бази (префикси на кодони) кодират аминокиселини с подобни биосинтетични пътища. Кодоните на аминокиселините, принадлежащи към семействата шикимат, пируват, аспартат и глутамат, имат съответно U, G, A и C като префикси. За пътищата на древния биосинтез на аминокиселини и връзката му със свойствата на съвременния код вижте „Древен дублет генетичен коде предопределено от пътищата на синтеза на аминокиселини." Въз основа на тези данни някои изследователи заключават, че формирането на кода е силно повлияно от биосинтетичните връзки между аминокиселините. Сходството на биосинтетичните пътища обаче изобщо не означава сходство на физикохимичните свойства.

11. Устойчивост на шум.В най-обща форма шумоустойчивостта на НА означава, че при произволни точкови мутации и грешки при транслацията, физикохимичните свойства на аминокиселините не се променят много.

Заместването на един нуклеотид в триплет в повечето случаи или не води до промяна в кодираната аминокиселина, или води до промяна до аминокиселина със същата полярност.

Един от механизмите, които осигуряват шумовата устойчивост на GC, е неговата дегенерация. Средната дегенерация е равна на броя на кодираните сигнали/общия брой кодони, където кодираните сигнали включват 20 аминокиселини и знака за прекратяване на транслацията. Средната дегенерация за всички аминокиселини и терминиращият знак е три кодона на кодиран сигнал.

За да определим количествено устойчивостта на шум, въвеждаме две концепции. Нуклеотидните заместващи мутации, които не водят до промяна в класа на кодираната аминокиселина, се наричат консервативен.Мутации на нуклеотидни замествания, водещи до промяна в класа на кодираната аминокиселина, се наричат радикален .

Всеки триплет позволява 9 единични замествания. Има общо 61 триплета, кодиращи аминокиселини. Следователно броят на възможните нуклеотидни замествания за всички кодони е

61 x 9 = 549. От тях:

23 нуклеотидни замествания водят до стоп кодони.

134 замествания не променят кодираната аминокиселина.
230 замествания не променят класа на кодираната аминокиселина.
162 замествания водят до промяна в класа на аминокиселините, т.е. са радикални.
От 183 замествания на 3-ти нуклеотид 7 водят до появата на терминатори на транслацията, а 176 са консервативни.
От 183 замествания на 1-ви нуклеотид 9 водят до появата на терминатори, 114 са консервативни и 60 са радикални.
От 183 замествания на 2-ри нуклеотид, 7 водят до появата на терминатори, 74 са консервативни, 102 са радикални.

Въз основа на тези изчисления получаваме количествена оценка на шумоустойчивостта на кода като съотношение на броя на консервативните замени към броя на радикалните замени. Равно е на 364/162=2,25

Когато се оценява реалистично приносът на дегенерацията към шумоустойчивостта, е необходимо да се вземе предвид честотата на поява на аминокиселини в протеините, която варира при различните видове.

Каква е причината за шумоустойчивостта на кода? Повечето изследователи смятат, че това свойство е следствие от избора на алтернативни GC.

Стивън Фрийланд и Лоурънс Хърст генерираха произволни такива кодове и установиха, че само един от сто алтернативни кода е не по-малко устойчив на шум от универсалния код.
Още по-интересен факт се появи, когато тези изследователи въведоха допълнително ограничение, за да отчитат действителните тенденции в моделите на ДНК мутации и грешките при транслацията. При такива условия САМО ЕДИН КОД ОТ МИЛИОН ВЪЗМОЖНИ се оказа по-добър от каноничния код.
Тази безпрецедентна жизненост на генетичния код най-лесно може да се обясни с факта, че той е формиран в резултат на естествен подбор. Може би някога е имало много кодове в биологичния свят, всеки със собствена чувствителност към грешки. Организмът, който се справи по-добре с тях, имаше по-голям шанс за оцеляване, а каноничният код просто спечели борбата за съществуване. Това предположение изглежда доста реалистично - все пак знаем, че алтернативни кодове наистина съществуват. За повече информация относно устойчивостта на шум вижте Кодирана еволюция (S. Freeland, L. Hirst “Coded evolution”. // В света на науката. - 2004, № 7).

В заключение, предлагам да преброим броя на възможните генетични кодове, които могат да бъдат генерирани за 20-те канонични аминокиселини. По някаква причина не срещнах този номер никъде. И така, ние трябва генерираните GCs да съдържат 20 аминокиселини и стоп сигнал, кодиран от ПОНЕ ЕДИН КОДОН.

Нека мислено номерираме кодоните в някакъв ред. Ще разсъждаваме по следния начин. Ако имаме точно 21 кодона, тогава всяка аминокиселина и стоп сигнал ще заемат точно един кодон. В този случай ще има 21 възможни GC!

Ако има 22 кодона, тогава се появява допълнителен кодон, който може да има едно от всеки 21 сетива и този кодон може да бъде разположен на всяко от 22-те места, докато останалите кодони имат точно един различен смисъл, както в случая с 21 кодони. Тогава получаваме броя на комбинациите 21!x(21x22).

Ако има 23 кодона, тогава, разсъждавайки по подобен начин, получаваме, че 21 кодона имат точно едно различно значение всеки (21! опции), а два кодона имат 21 различни значения всеки (21 2 значения с ФИКСИРАНА позиция на тези кодони). Броят на различните позиции за тези два кодона ще бъде 23x22. Общият брой на GC вариантите за 23 кодона е 21!x21 2 x23x22

Ако има 24 кодона, тогава броят на GC ще бъде 21!x21 3 x24x23x22,...

....................................................................................................................

Ако има 64 кодона, тогава броят на възможните GC ще бъде 21!x21 43 x64!/21! = 21 43 x64! ~ 9.1x10 145

Във всяка клетка и организъм всички анатомични, морфологични и функционални характеристики се определят от структурата на протеините, които ги съставят. Наследственото свойство на тялото е способността да синтезира определени протеини. Аминокиселините са разположени в полипептидна верига, от която зависят биологичните характеристики.
Всяка клетка има своя собствена последователност от нуклеотиди в полинуклеотидната верига на ДНК. Това е генетичният код на ДНК. Чрез него се записва информация за синтеза на определени протеини. Тази статия описва какво представлява генетичният код, неговите свойства и генетична информация.

Малко история

Идеята, че може да съществува генетичен код, е формулирана от J. Gamow и A. Down в средата на ХХ век. Те описват, че нуклеотидната последователност, отговорна за синтеза на определена аминокиселина, съдържа най-малко три единици. По-късно те доказаха точния брой от три нуклеотида (това е единица на генетичния код), който беше наречен триплет или кодон. Има общо шестдесет и четири нуклеотида, тъй като киселинната молекула, където се намира РНК, е изградена от четири различни нуклеотидни остатъка.

Какво е генетичен код

Методът за кодиране на последователността на аминокиселинните протеини, дължащ се на последователността на нуклеотидите, е характерен за всички живи клетки и организми. Това е генетичният код.
В ДНК има четири нуклеотида:

• аденин - А;
• гуанин - G;
• цитозин - С;
• тимин - Т.

Те се обозначават с главни латински или (в рускоезичната литература) руски букви.
РНК също съдържа четири нуклеотида, но един от тях е различен от ДНК:

• аденин - А;
• гуанин - G;
• цитозин - С;
• урацил - U.

Всички нуклеотиди са подредени във вериги, като ДНК има двойна спирала, а РНК има единична спирала.
Протеините са изградени от двадесет аминокиселини, където те, разположени в определена последователност, определят неговите биологични свойства.

Свойства на генетичния код

Тройност. Единицата на генетичния код се състои от три букви, тя е триплет. Това означава, че съществуващите двадесет аминокиселини са кодирани от три специфични нуклеотида, наречени кодони или трипети. Има шестдесет и четири комбинации, които могат да бъдат създадени от четири нуклеотида. Това количество е повече от достатъчно за кодиране на двадесет аминокиселини.
Дегенерация. Всяка аминокиселина съответства на повече от един кодон, с изключение на метионин и триптофан.
Еднозначност. Един кодон кодира една аминокиселина. Например, в ген на здрав човек с информация за бета целта на хемоглобина, триплет от GAG и GAA кодира A при всеки, който има сърповидно-клетъчна болест, един нуклеотид е променен.
Колинеарност. Последователността от аминокиселини винаги съответства на последователността от нуклеотиди, които генът съдържа.
Генетичният код е непрекъснат и компактен, което означава, че няма препинателни знаци. Тоест, започвайки от определен кодон, се получава непрекъснато четене. Например AUGGGUGTSUUAAUGUG ще се чете като: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Но не AUG, UGG и така нататък или нещо друго.
Универсалност. Такава е за абсолютно всички земни организми, от хората до рибите, гъбите и бактериите.

Таблица

Не всички налични аминокиселини са включени в представената таблица. Хидроксипролин, хидроксилизин, фосфосерин, йодни производни на тирозин, цистин и някои други отсъстват, тъй като те са производни на други аминокиселини, кодирани от m-RNA и образувани след модификация на протеини в резултат на транслация.
От свойствата на генетичния код е известно, че един кодон е способен да кодира една аминокиселина. Изключение прави генетичният код, който изпълнява допълнителни функции и кодира валин и метионин. ИРНК, намираща се в началото на кодона, прикрепя t-РНК, която носи формилметион. След завършване на синтеза, той се отцепва и отнема формилния остатък със себе си, превръщайки се в метионинов остатък. По този начин горните кодони са инициаторите на синтеза на полипептидната верига. Ако не са в началото, значи не са по-различни от останалите.

Генетична информация

Тази концепция означава програма от свойства, която се предава от предците. Тя е заложена в наследствеността като генетичен код.
Генетичният код се реализира по време на протеиновия синтез:

• информационна РНК;
• рибозомна рРНК.

Информацията се предава чрез директна комуникация (ДНК-РНК-протеин) и обратна комуникация (среда-протеин-ДНК).
Организмите могат да го приемат, съхраняват, предават и използват най-ефективно.
Предаваната по наследство информация определя развитието на определен организъм. Но поради взаимодействието с околната среда, реакцията на последната е изкривена, поради което възниква еволюция и развитие. По този начин в тялото се въвежда нова информация.

Изчисляването на законите на молекулярната биология и откриването на генетичния код илюстрират необходимостта от съчетаване на генетиката с теорията на Дарвин, на базата на която възниква синтетична теория за еволюцията - некласическата биология.
Наследствеността, вариациите и естественият подбор на Дарвин се допълват от генетично определен подбор. Еволюцията се осъществява на генетично ниво чрез случайни мутации и унаследяване на най-ценните черти, които са най-адаптирани към околната среда.

Декодиране на човешкия код

През 90-те години стартира проектът за човешкия геном, в резултат на който през две хиляди са открити фрагменти от генома, съдържащи 99,99% от човешките гени. Фрагменти, които не участват в протеиновия синтез и не са кодирани, остават неизвестни. Ролята им засега остава неизвестна.

Последно открита през 2006 г., хромозома 1 е най-дългата в генома. Повече от триста и петдесет заболявания, включително рак, възникват в резултат на нарушения и мутации в него.

Ролята на подобни изследвания не може да бъде надценена. Когато откриха какъв е генетичният код, стана известно по какви модели протича развитието, как се формират морфологичната структура, психиката, предразположението към определени заболявания, метаболизма и дефектите на индивидите.

Генетичният код е система за записване на наследствена информация в молекулите на нуклеинова киселина, базирана на определено редуване на нуклеотидни последователности в ДНК или РНК, образуващи кодони, съответстващи на аминокиселините в протеина.

Свойства на генетичния код.

Генетичният код има няколко свойства.

Тройност.

Дегенерация или излишък.

Еднозначност.

Полярност.

Не препокриващи се.

Компактност.

Универсалност.

Трябва да се отбележи, че някои автори предлагат и други свойства на кода, свързани с химичните характеристики на нуклеотидите, включени в кода или честотата на поява на отделни аминокиселини в протеините на тялото и т.н. Тези свойства обаче следват от изброените по-горе, така че ще ги разгледаме там.

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

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

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

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

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

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

b. Дегенерация или излишък.

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

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

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

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

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

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

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

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

V. Еднозначност.

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

Еднозначно

Аминокиселинен кодон

Изродени

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

ж. Полярност

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

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

г. Неприпокриване.

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

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

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

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

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

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

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

ГЗУГЗУГ ГЗУГЗУГ ГЗУГЗУГ

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

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

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

A B C

Неприпокриващ се код Припокриващ се код

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

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

Трябва да се отбележи, че човек все още има малък брой гени, които се отклоняват от общото правило и се припокриват.

д. Компактност.

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

и. Универсалност.

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

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

ДНК кодова система.

Генетичният код на ДНК се състои от 64 триплета нуклеотиди. Тези триплети се наричат ​​кодони. Всеки кодон кодира една от 20-те аминокиселини, използвани в протеиновия синтез. Това дава известна излишност в кода: повечето аминокиселини са кодирани от повече от един кодон.
Един кодон изпълнява две взаимосвързани функции: той сигнализира за началото на транслацията и кодира включването на аминокиселината метионин (Met) в нарастващата полипептидна верига. ДНК кодиращата система е проектирана така, че генетичният код да може да бъде изразен или като РНК кодони, или като ДНК кодони. РНК кодоните се намират в РНК (иРНК) и тези кодони могат да четат информация по време на синтеза на полипептиди (процес, наречен транслация). Но всяка молекула иРНК придобива нуклеотидна последователност при транскрипция от съответния ген.

Всички аминокиселини с изключение на две (Met и Trp) могат да бъдат кодирани от 2 до 6 различни кодона. Въпреки това, геномът на повечето организми показва, че определени кодони са предпочитани пред други. При хората, например, аланинът се кодира от GCC четири пъти по-често, отколкото от GCG. Това вероятно показва по-голяма ефективност на транслацията на транслационния апарат (например рибозомата) за някои кодони.

Генетичният код е почти универсален. Едни и същи кодони са присвоени на една и съща част от аминокиселини и едни и същи стартови и стоп сигнали са преобладаващо еднакви при животни, растения и микроорганизми. Въпреки това са открити някои изключения. Повечето включват присвояване на един или два от трите стоп кодона на аминокиселина.