Каква информация кодира генетичният код? Дегенерация на генетичния код: обща информация

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.

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

Благодарение на процеса на транскрипция в клетката, информацията се прехвърля от ДНК към протеин: ДНК - иРНК - протеин. Генетичната информация, съдържаща се в ДНК и иРНК, се съдържа в последователността на нуклеотидите в молекулите. Как се прехвърля информацията от „езика“ на нуклеотидите към „езика“ на аминокиселините? Този превод се извършва с помощта на генетичния код. Код или шифър е система от символи за превод на една форма на информация в друга. Генетичният код е система за запис на информация за последователността на аминокиселините в протеините, използвайки последователността на нуклеотидите в информационната РНК. Колко важна е точно последователността на подреждането на едни и същи елементи (четири нуклеотида в РНК) за разбирането и запазването на значението на информацията може да се види в един прост пример: чрез пренареждане на буквите в кода на думата, ние получаваме дума с различен смисъл - док. Какви свойства има генетичният код?

1. Кодът е триплет. РНК се състои от 4 нуклеотида: A, G, C, U. Ако се опитаме да обозначим една аминокиселина с един нуклеотид, тогава 16 от 20 аминокиселини ще останат некриптирани. Двубуквен код би шифровал 16 аминокиселини (от четири нуклеотида могат да се направят 16 различни комбинации, всяка от които съдържа два нуклеотида). Природата е създала код от три букви или триплет. Това означава, че всяка от 20-те аминокиселини е кодирана от последователност от три нуклеотида, наречена триплет или кодон. От 4 нуклеотида можете да създадете 64 различни комбинации от по 3 нуклеотида (4*4*4=64). Това е повече от достатъчно, за да кодира 20 аминокиселини и, изглежда, 44 кодона са излишни. Обаче не е така.

2. Кодът е изроден. Това означава, че всяка аминокиселина е криптирана с повече от един кодон (от два до шест). Изключение правят аминокиселините метионин и триптофан, всяка от които е кодирана само от един триплет. (Това може да се види в таблицата с генетичен код.) Фактът, че метионинът е кодиран от един триплет OUT има специално значение, което ще ви стане ясно по-късно (16).

3. Кодът е недвусмислен. Всеки кодон кодира само една аминокиселина. При всички здрави хора, в гена, носещ информация за бета веригата на хемоглобина, триплетът GAA или GAG, I на шесто място, кодира глутаминова киселина. При пациенти със сърповидноклетъчна анемия вторият нуклеотид в този триплет се заменя с U. Както се вижда от таблицата, триплетите GUA или GUG, които се образуват в този случай, кодират аминокиселината валин. До какво води подобна подмяна вече знаете от раздела за ДНК.

4. Между гените има "препинателни знаци". В печатния текст в края на всяка фраза има точка. Няколко свързани фрази съставляват абзац. На езика на генетичната информация такъв параграф е оперон и неговата комплементарна иРНК. Всеки ген в оперона кодира една полипептидна верига - фраза. Тъй като в някои случаи няколко различни полипептидни вериги се създават последователно от иРНК матрицата, те трябва да бъдат разделени една от друга. За тази цел в генетичния код има три специални триплета - UAA, UAG, UGA, всеки от които показва прекратяване на синтеза на една полипептидна верига. По този начин тези тройки функционират като препинателни знаци. Те се намират в края на всеки ген. Вътре в гена няма "препинателни знаци". Тъй като генетичният код е подобен на езика, нека анализираме това свойство, използвайки примера на фраза, съставена от триплети: имало едно време тиха котка, тази котка ми беше скъпа. Смисълът на написаното е ясен, въпреки липсата на препинателни знаци.Ако премахнем една буква в първата дума (един нуклеотид в гена), но и прочетем в тройки букви, тогава резултатът ще бъде глупост: ilb ylk ott ilb yls erm ilm no otk Нарушаване на значението възниква и когато един или два нуклеотида са загубени от ген. Протеинът, който ще бъде прочетен от такъв повреден ген, няма да има нищо общо с протеина, който е кодиран от нормалния ген .

6. Кодът е универсален. Генетичният код е един и същ за всички същества, живеещи на Земята. При бактериите и гъбичките, пшеницата и памука, рибите и червеите, жабите и хората същите триплети кодират едни и същи аминокиселини.

Генетичният код обикновено се разбира като система от знаци, показваща последователното подреждане на нуклеотидните съединения в ДНК и РНК, което съответства на друга система от знаци, показваща последователността на аминокиселинните съединения в протеинова молекула.

Важно е!

Когато учените успяха да проучат свойствата на генетичния код, универсалността беше призната за една от основните. Да, колкото и странно да звучи, всичко е обединено от един, универсален, общ генетичен код. Той се е формирал за дълъг период от време и процесът е приключил преди около 3,5 милиарда години. Следователно следите от неговата еволюция могат да бъдат проследени в структурата на кода от създаването му до наши дни.

Когато говорим за последователността на подреждане на елементите в генетичния код, имаме предвид, че тя далеч не е хаотична, а има строго определен ред. И това също до голяма степен определя свойствата на генетичния код. Това е еквивалентно на подреждането на букви и срички в думите. След като нарушим обичайния ред, повечето от това, което четем на страниците на книгите или вестниците, ще се превърнат в нелепо бълбукане.

Основни свойства на генетичния код

Обикновено кодът съдържа някаква информация, криптирана по специален начин. За да дешифрирате кода, трябва да знаете отличителните черти.

И така, основните свойства на генетичния код са:

• тройност;
• израждане или излишък;
• недвусмисленост;
• непрекъснатост;
• вече споменатата по-горе гъвкавост.

Нека разгледаме по-отблизо всеки имот.

1. Тройка

Това е, когато три нуклеотидни съединения образуват последователна верига в рамките на една молекула (т.е. ДНК или РНК). В резултат на това се създава триплетно съединение или кодира една от аминокиселините, нейното местоположение в пептидната верига.

Кодоните (те също са кодови думи!) се отличават по своята последователност от връзки и по вида на онези азотни съединения (нуклеотиди), които са част от тях.

В генетиката е обичайно да се разграничават 64 вида кодони. Те могат да образуват комбинации от четири вида нуклеотиди, по 3 във всяка. Това е еквивалентно на повишаване на числото 4 на трета степен. По този начин е възможно образуването на 64 нуклеотидни комбинации.

2. Излишък на генетичния код

Това свойство се наблюдава, когато са необходими няколко кодона за криптиране на една аминокиселина, обикновено в диапазона 2-6. И само триптофанът може да бъде кодиран с помощта на един триплет.

3. Еднозначност

Той е включен в свойствата на генетичния код като индикатор за здраво генетично наследство. Например триплетът GAA, който е на шесто място във веригата, може да каже на лекарите за доброто състояние на кръвта, за нормалния хемоглобин. Именно той е носител на информация за хемоглобина и също е кодиран от него.И ако човек има анемия, един от нуклеотидите се заменя с друга буква от кода - U, което е сигнал за заболяването.

4. Приемственост

Когато записвате това свойство на генетичния код, трябва да се помни, че кодоните, като връзки във веригата, са разположени не на разстояние, а в непосредствена близост, един след друг във веригата на нуклеиновата киселина и тази верига не е прекъсната - няма начало и край.

5. Универсалност

Никога не трябва да забравяме, че всичко на Земята е обединено от общ генетичен код. И затова при приматите и хората, при насекомите и птиците, при стогодишното дърво баобаб и стръкче трева, едва изникнало от земята, подобни триплети са кодирани от подобни аминокиселини.

Именно в гените се съдържа основната информация за свойствата на даден организъм, вид програма, която организмът наследява от онези, които са живели по-рано и която съществува като генетичен код.

Генетичният код е специално кодиране на наследствена информация с помощта на молекули.Въз основа на това гените контролират по подходящ начин синтеза на протеини и ензими в тялото, като по този начин определят метаболизма. От своя страна структурата на отделните белтъци и техните функции се определят от разположението и състава на аминокиселините – структурните единици на белтъчната молекула.

В средата на миналия век бяха идентифицирани гени, които са отделни участъци (наричани съкратено ДНК). Нуклеотидните единици образуват характерна двойна верига, събрана във формата на спирала.

Учените са открили връзка между гените и химическата структура на отделните протеини, чиято същност е, че структурният ред на аминокиселините в протеиновите молекули напълно съответства на реда на нуклеотидите в гена. След като установиха тази връзка, учените решиха да дешифрират генетичния код, т.е. установява закони за съответствие между структурните порядъци на нуклеотидите в ДНК и аминокиселините в протеините.

Има само четири вида нуклеотиди:

1) А - аденил;

2) G - гуанил;

3) Т - тимидил;

4) С - цитидил.

Протеините съдържат двадесет вида основни аминокиселини. Възникнаха трудности при дешифрирането на генетичния код, тъй като има много по-малко нуклеотиди от аминокиселините. При решаването на този проблем беше предложено аминокиселините да са кодирани от различни комбинации от три нуклеотида (наречени кодон или триплет).

Освен това беше необходимо да се обясни как точно са разположени тризнаците по гена. Така възникват три основни групи теории:

1) триплетите следват непрекъснато, т.е. формират непрекъснат код;

2) триплетите са подредени с редуващи се „безсмислени“ участъци, т.е. в кода се образуват така наречените „запетая” и „параграфи”;

3) триплетите могат да се припокриват, т.е. краят на първия триплет може да образува началото на следващия.

В момента се използва основно теорията за непрекъснатостта на кода.

Генетичен код и неговите свойства

1) Кодът е триплетен – състои се от произволни комбинации от три нуклеотида, които образуват кодони.

2) Генетичният код е излишен – неговите триплети. Една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко кодона, тъй като според математическите изчисления кодоните са три пъти повече от аминокиселините. Някои кодони изпълняват специфични терминиращи функции: някои могат да бъдат „стоп сигнали“, които програмират края на производството на аминокиселинна верига, докато други могат да показват започване на четене на код.

3) Генетичният код е еднозначен – всеки кодон може да отговаря само на една аминокиселина.

4) Генетичният код е колинеарен, т.е. нуклеотидната последователност и аминокиселинната последователност ясно съответстват една на друга.

5) Кодът е написан непрекъснато и компактно, в него няма „безсмислени“ нуклеотиди. Започва със специфичен триплет, който се заменя със следващия без прекъсване и завършва със стоп кодон.

6) Генетичният код е универсален - гените на всеки организъм кодират информация за протеините по абсолютно същия начин. Това не зависи от нивото на сложност на организацията на организма или неговото системно положение.

Съвременната наука предполага, че генетичният код възниква директно по време на раждането на нов организъм от костна материя. Случайните промени и еволюционните процеси правят възможни всякакви варианти на кода, т.е. аминокиселините могат да бъдат пренаредени във всякакъв ред. Защо точно този вид код е оцелял по време на еволюцията, защо кодът е универсален и има подобна структура? Колкото повече науката научава за феномена на генетичния код, толкова повече нови мистерии възникват.

Министерство на образованието и науката на Федералната агенция по образование на Руската федерация

Държавна образователна институция за висше професионално образование "Алтайски държавен технически университет на името на I.I. Polzunov"

Департамент по природни науки и системен анализ

Резюме на тема "Генетичен код"

1. Концепцията за генетичен код

3. Генетична информация

Библиография

1. Концепцията за генетичен код

Генетичният код е единна система за записване на наследствена информация в молекулите на нуклеиновата киселина под формата на последователност от нуклеотиди, характерни за живите организми. Всеки нуклеотид се обозначава с главна буква, с която започва името на азотната основа, влизаща в състава му: - А (А) аденин; - G (G) гуанин; - С (С) цитозин; - T (T) тимин (в ДНК) или U (U) урацил (в иРНК).

Внедряването на генетичния код в клетката протича на два етапа: транскрипция и транслация.

Първият от тях се среща в ядрото; тя се състои в синтеза на молекули иРНК в съответните участъци на ДНК. В този случай нуклеотидната последователност на ДНК се „пренаписва“ в нуклеотидната последователност на РНК. Вторият етап протича в цитоплазмата, върху рибозомите; в този случай последователността от нуклеотиди на иРНК се транслира в последователността от аминокиселини в протеина: този етап се осъществява с участието на трансферна РНК (тРНК) и съответните ензими.

2. Свойства на генетичния код

1. Тройка

Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от 3 нуклеотида.

Триплет или кодон е последователност от три нуклеотида, кодиращи една аминокиселина.

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

2. Дегенерация.

Всички аминокиселини, с изключение на метионин и триптофан, са кодирани от повече от един триплет: 2 аминокиселини от 1 триплет = 2 9 аминокиселини от 2 триплета = 18 1 аминокиселина 3 триплета = 3 5 аминокиселини от 4 триплета = 20 3 аминокиселини от 6 триплета = 18 Общо 61 триплета кодират 20 аминокиселини.

3. Наличие на интергенни препинателни знаци.

Генът е участък от ДНК, който кодира една полипептидна верига или една молекула от tRNA, rRNA или sRNA.

Гените tRNA, rRNA и sRNA не кодират протеини.

В края на всеки ген, кодиращ полипептид, има поне един от 3 стоп кодона или стоп сигнали: UAA, UAG, UGA. Прекратяват предаването.

Обикновено кодонът AUG, първият след водещата последователност, също принадлежи към препинателните знаци. Функционира като главна буква. В това положение той кодира формилметионин (при прокариотите).

4. Еднозначност.

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

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

5. Компактност или липса на вътрешни препинателни знаци.

В рамките на един ген всеки нуклеотид е част от значим кодон.

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

Същността на експеримента: "+" мутация - вмъкване на един нуклеотид. "-" мутация - загуба на един нуклеотид. Една единствена мутация "+" или "-" в началото на гена разваля целия ген. Двойна мутация "+" или "-" също разваля целия ген. Тройна “+” или “-” мутация в началото на гена разваля само част от него. Четворна мутация "+" или "-" отново разваля целия ген.

Експериментът доказва, че кодът е триплетен и в гена няма препинателни знаци. Експериментът беше проведен върху два съседни фагови гена и освен това показа наличието на препинателни знаци между гените.

3. Генетична информация

Генетичната информация е програма за свойствата на организма, получена от предците и заложена в наследствени структури под формата на генетичен код.

Предполага се, че формирането на генетичната информация е протекло по следната схема: геохимични процеси – минералообразуване – еволюционна катализа (автокатализа).

Възможно е първите примитивни гени да са били микрокристални глинени кристали и всеки нов слой глина се изгражда в съответствие със структурните особености на предишния, като че ли получава информация за структурата от него.

Внедряването на генетична информация става в процеса на синтез на протеинови молекули с помощта на три РНК: информационна РНК (mRNA), транспортна РНК (tRNA) и рибозомна РНК (rRNA). Процесът на предаване на информация се осъществява: - чрез директен комуникационен канал: ДНК - РНК - протеин; и - през канала за обратна връзка: среда - протеин - ДНК.

Живите организми са способни да приемат, съхраняват и предават информация. Освен това живите организми имат присъщо желание да използват получената информация за себе си и света около тях възможно най-ефективно. Наследствената информация, заложена в гените и необходима за съществуването, развитието и възпроизвеждането на живия организъм, се предава от всеки индивид на неговите потомци. Тази информация определя посоката на развитие на организма и в процеса на взаимодействието му с околната среда реакцията към неговия индивид може да бъде изкривена, като по този начин се осигури еволюцията на развитието на потомците. В процеса на еволюция на живия организъм възниква и се запомня нова информация, включително стойността на информацията за нея се увеличава.

По време на прилагането на наследствена информация при определени условия на околната среда се формира фенотипът на организмите от даден биологичен вид.

Генетичната информация определя морфологичния строеж, растежа, развитието, обмяната на веществата, умствения състав, предразположеността към заболявания и генетичните дефекти на тялото.

Много учени, правилно подчертавайки ролята на информацията във формирането и еволюцията на живите същества, отбелязват това обстоятелство като един от основните критерии на живота. И така, V.I. Карагодин смята: „Живеенето е такава форма на съществуване на информацията и кодираните от нея структури, която осигурява възпроизвеждането на тази информация в подходящи условия на околната среда. Връзката между информацията и живота е отбелязана и от А.А. Ляпунов: „Животът е силно подредено състояние на материята, което използва информация, кодирана от състоянията на отделните молекули, за да развие постоянни реакции.“ Известният наш астрофизик Н.С. Кардашев подчертава и информационния компонент на живота: „Животът възниква благодарение на възможността да се синтезират особен вид молекули, които са способни да запомнят и използват първоначално най-простата информация за околната среда и собствената си структура, която използват за самосъхранение. , за възпроизвеждане и, което е особено важно за нас, за получаване на повече.” повече информация.” Екологът Ф. Типлер обръща внимание на тази способност на живите организми да запазват и предават информация в книгата си „Физика на безсмъртието“: „Аз определям живота като вид кодирана информация, която се запазва чрез естествен подбор.“ Освен това, смята той, ако това е така, тогава информационната система за живота е вечна, безкрайна и безсмъртна.

Откриването на генетичния код и установяването на законите на молекулярната биология показаха необходимостта от комбиниране на съвременната генетика и Дарвиновата теория за еволюцията. Така се роди нова биологична парадигма - синтетичната теория на еволюцията (STE), която вече може да се разглежда като некласическа биология.

Основните идеи на еволюцията на Дарвин с нейната триада - наследственост, изменчивост, естествен подбор - в съвременното разбиране за еволюцията на живия свят се допълват от идеите не просто за естествения подбор, а за подбор, който се определя генетично. Началото на развитието на синтетичната или общата еволюция може да се счита за работата на S.S. Четвериков върху популационната генетика, в който беше показано, че не индивидуалните характеристики и индивиди са обект на селекция, а генотипът на цялата популация, но се извършва чрез фенотипните характеристики на отделните индивиди. Това води до разпространение на полезни промени сред населението. По този начин механизмът на еволюцията се осъществява както чрез случайни мутации на генетично ниво, така и чрез унаследяване на най-ценните признаци (ценността на информацията!), които определят адаптирането на мутационните признаци към околната среда, осигурявайки най-жизнеспособното потомство.

Сезонните промени в климата, различни природни или причинени от човека бедствия, от една страна, водят до промени в честотата на повторение на гените в популациите и, като следствие, до намаляване на наследствената променливост. Този процес понякога се нарича генетичен дрейф. И от друга страна, до промени в концентрацията на различни мутации и намаляване на разнообразието от генотипове, съдържащи се в популацията, което може да доведе до промени в посоката и интензивността на селекцията.

4. Декодиране на човешкия генетичен код

През май 2006 г. учени, работещи за дешифриране на човешкия геном, публикуваха пълна генетична карта на хромозома 1, която беше последната човешка хромозома, която не беше напълно секвенирана.

През 2003 г. беше публикувана предварителна човешка генетична карта, отбелязваща официалното завършване на проекта за човешкия геном. В неговата рамка са секвенирани фрагменти от геном, съдържащи 99% от човешките гени. Точността на генната идентификация е 99,99%. Въпреки това, по времето, когато проектът беше завършен, само четири от 24-те хромозоми бяха напълно секвенирани. Факт е, че в допълнение към гените, хромозомите съдържат фрагменти, които не кодират никакви характеристики и не участват в синтеза на протеини. Ролята, която тези фрагменти играят в живота на тялото, остава неизвестна, но все повече изследователи са склонни да вярват, че тяхното изследване изисква най-голямо внимание.