Da shvate koje je svojstvo genetskog koda univerzalno. Biosinteza proteina i nukleinskih kiselina

0

Genetski kod je metoda karakteristična za sve žive organizme kodiranja sekvence aminokiselina proteina koristeći sekvencu nukleotida u molekulu DNK.

Implementacija genetskih informacija u živim stanicama (odnosno, sinteza proteina kodiranog u DNK) provodi se pomoću dva matrična procesa: transkripcije (tj. sinteza mRNA na matrici DNK) i translacije (sinteza polipeptidni lanac na matrici mRNA).

DNK koristi četiri nukleotida - adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T). Ova „slova“ čine abecedu genetskog koda. RNK koristi iste nukleotide, osim timina, koji je zamijenjen uracilom (U). U molekulima DNK i RNK nukleotidi su raspoređeni u lance i tako se dobijaju nizovi „slova“.

Slijed nukleotida DNK sadrži kodne "riječi" za svaku aminokiselinu budućeg proteinskog molekula - genetski kod. Sastoji se od određenog niza rasporeda nukleotida u molekulu DNK.

Tri uzastopna nukleotida kodiraju "ime" jedne aminokiseline, odnosno svaka od 20 aminokiselina je šifrirana značajnom jedinicom koda - kombinacijom tri nukleotida koja se naziva triplet ili kodon.

Trenutno je DNK kod potpuno dešifrovan i možemo govoriti o određenim svojstvima karakterističnim za ovaj jedinstveni biološki sistem, koji osigurava prevođenje informacija sa „jezika“ DNK na „jezik“ proteina.

Nositelj genetičke informacije je DNK, ali pošto je mRNA, kopija jednog od lanaca DNK, direktno uključena u sintezu proteina, genetski kod se najčešće piše na “RNA jeziku”.

Amino kiseline	RNA kodirajuće trojke
Alanin	GCU GCC GCA GCH
Arginin	TsGU TsGTs TsGA TsGG AGA AGG
Asparagin	AAU AAC
Asparaginska kiselina	GAU GAC
Valin	GUU GUTS GUA GUG
Histidin	TsAU TsATs
Glycine	GGU GGC GGA YYY
Glutamin	CAA CAG
Glutaminska kiselina	GAA GAG
Izoleucin	AUU AUC AUA
Leucin	TSUU TSUTS TSUA TSUG UUA UUG
Lysine	AAA AAG
Metionin	AUG
Proline	TsTsU TsTs TsTsTsG
Serin	UCU UCC UCA UCG ASU AGC
Tirozin	UAU UAC
Treonin	ACU ACC ACA ACG
Triptofan	UGG
fenilalanin	UUU UUC
Cistein	UGU UGC
STOP	UGA UAG UAA

Osobine genetskog koda

Tri uzastopna nukleotida (azotne baze) kodiraju “ime” jedne aminokiseline, odnosno svaka od 20 aminokiselina je šifrirana značajnom kodnom jedinicom – kombinacijom tri nukleotida tzv. trojka ili kodon

trojka (kodon)- sekvenca od tri nukleotida (azotne baze) u molekuli DNK ili RNK koja određuje uključivanje određene aminokiseline u proteinski molekul tokom njegove sinteze.

• Jedinstvenost (diskretnost)

Jedan triplet ne može kodirati dvije različite aminokiseline; Specifičan kodon odgovara samo jednoj aminokiselini.

Svaka aminokiselina može biti definirana s više od jednog tripleta. Izuzetak - metionin I triptofan. Drugim riječima, nekoliko kodona može odgovarati istoj aminokiselini.

• Bez preklapanja

Ista baza se ne može pojaviti u dva susjedna kodona u isto vrijeme.

Neki trojci ne kodiraju aminokiseline, već su svojevrsni "putokazi" koji određuju početak i kraj pojedinih gena (UAA, UAG, UGA), od kojih svaki znači prestanak sinteze i nalazi se na kraju svakog gen, tako da možemo govoriti o polarnosti genetskog koda.

Kod životinja i biljaka, gljiva, bakterija i virusa, isti triplet kodira istu vrstu aminokiseline, odnosno genetski kod je isti za sva živa bića. Drugim riječima, univerzalnost je sposobnost genetskog koda da djeluje na isti način u organizmima različitog nivoa složenosti, od virusa do ljudi. Univerzalnost DNK koda potvrđuje jedinstvo porijekla cijelog života na našoj planeti. Metode genetskog inženjeringa zasnivaju se na korištenju svojstva univerzalnosti genetskog koda.

Iz istorije otkrića genetskog koda

Po prvi put ideja postojanja genetski kod koji su formulisali A. Down i G. Gamow 1952-1954. Naučnici su pokazali da sekvenca nukleotida koja jedinstveno određuje sintezu određene aminokiseline mora sadržavati najmanje tri jedinice. Kasnije je dokazano da se takva sekvenca sastoji od tri nukleotida tzv kodon ili trojka.

Pitanja o tome koji su nukleotidi odgovorni za uključivanje određene aminokiseline u proteinski molekul i koliko nukleotida određuje to uključivanje ostala su neriješena do 1961. godine. Teorijska analiza je pokazala da se kod ne može sastojati od jednog nukleotida, jer se u ovom slučaju mogu kodirati samo 4 aminokiseline. Međutim, kod ne može biti dublet, odnosno kombinacija dva nukleotida iz "abecede" od četiri slova ne može pokriti sve aminokiseline, jer je teoretski moguće samo 16 takvih kombinacija (4 2 = 16).

Za kodiranje 20 aminokiselina, kao i stop signal koji ukazuje na kraj proteinske sekvence, dovoljna su tri uzastopna nukleotida, kada je broj mogućih kombinacija 64 (4 3 = 64).

Nasljedne informacije su informacije o strukturi proteina (informacije o koje aminokiseline kojim redom kombinuju se tokom sinteze primarne strukture proteina).

Informacije o strukturi proteina su kodirane u DNK, koja je kod eukariota dio hromozoma i nalazi se u jezgru. Zove se dio DNK (hromozoma) u kojem je kodirana informacija o jednom proteinu gen.

Transkripcija- Ovo je prepisivanje informacija iz DNK u mRNA (informacijska RNK). mRNA prenosi informacije od jezgra do citoplazme, do mjesta sinteze proteina (do ribosoma).

Broadcast je proces biosinteze proteina. Unutar ribozoma, tRNA antikodoni su vezani za mRNA kodone prema principu komplementarnosti. Ribosom povezuje aminokiseline koje donosi tRNA peptidnom vezom kako bi se formirao protein.

Reakcije transkripcije, translacije, kao i replikacije (udvostručavanje DNK) su reakcije matrična sinteza. DNK služi kao šablon za sintezu mRNA, a mRNA služi kao šablon za sintezu proteina.

Genetski kod je način na koji se informacija o strukturi proteina upisuje u DNK.

Svojstva genetskog koda

1) Trostruko: Jedna aminokiselina je kodirana sa tri nukleotida. Ova 3 nukleotida u DNK nazivaju se triplet, u mRNA - kodon, u tRNK - antikodon (ali na Jedinstvenom državnom ispitu može biti i "triplet koda" itd.)

2) Redundantnost(degeneracija): postoji samo 20 aminokiselina, a postoji 61 triplet koji kodira aminokiseline, tako da je svaka aminokiselina kodirana sa nekoliko tripleta.

3) Nedvosmislenost: Svaki triplet (kodon) kodira samo jednu aminokiselinu.

4) Svestranost: Genetski kod je isti za sve žive organizme na Zemlji.

Zadaci

Problemi s brojem nukleotida/aminokiselina
3 nukleotida = 1 triplet = 1 aminokiselina = 1 tRNA

Zadaci u ATGC
DNK mRNA tRNA
A U A
T A U
G C G
Ts G Ts

Odaberite jednu, najispravniju opciju. mRNA je kopija
1) jedan gen ili grupa gena
2) lanci proteinskih molekula
3) jedan proteinski molekul
4) dijelovi plazma membrane

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Primarna struktura proteinske molekule, određena nukleotidnom sekvencom mRNA, formira se u procesu
1) emisije
2) transkripcije
3) reduplikacija
4) denaturacija

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Koja sekvenca ispravno odražava put implementacije genetske informacije
1) gen --> mRNA --> protein --> osobina
2) osobina --> protein --> mRNA --> gen --> DNK
3) mRNA --> gen --> protein --> osobina
4) gen --> DNK --> osobina --> protein

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Odaberite ispravan slijed prijenosa informacija u procesu sinteze proteina u ćeliji
1) DNK -> glasna RNK -> protein
2) DNK -> transfer RNA -> protein
3) ribosomalna RNK -> transferna RNK -> protein
4) ribosomska RNK -> DNK -> transferna RNK -> protein

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Ista aminokiselina odgovara antikodonu CAA na transfer RNK i tripletu na DNK
1) ACV
2) TsUU
3) GTT
4) GAA

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Antikodon AAU na transfer RNK odgovara tripletu na DNK
1) TTA
2) AAT
3) AAA
4) TTT

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Svaka amino kiselina u ćeliji je kodirana
1) jedan molekul DNK
2) nekoliko trojki
3) nekoliko gena
4) jedan nukleotid

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Funkcionalna jedinica genetskog koda
1) nukleotid
2) trojka
3) aminokiselina
4) tRNA

Odgovori

Odaberite tri opcije. Kao rezultat reakcija matričnog tipa, sintetiziraju se molekuli
1) polisaharidi
2) DNK
3) monosaharidi
4) mRNA
5) lipidi
6) vjeverica

Odgovori

1. Odrediti slijed procesa koji osiguravaju biosintezu proteina. Zapišite odgovarajući niz brojeva.
1) formiranje peptidnih veza između aminokiselina
2) vezivanje antikodona tRNA za komplementarni kodon mRNA
3) sinteza mRNA molekula na DNK
4) kretanje mRNA u citoplazmi i njena lokacija na ribosomu
5) dostava aminokiselina u ribozom pomoću tRNA

Odgovori

2. Uspostaviti redoslijed procesa biosinteze proteina u ćeliji. Zapišite odgovarajući niz brojeva.
1) formiranje peptidne veze između aminokiselina
2) interakcija između mRNA kodona i tRNA antikodona
3) oslobađanje tRNA iz ribozoma
4) veza mRNA sa ribozomom
5) oslobađanje mRNA iz jezgra u citoplazmu
6) sinteza mRNA

Odgovori

3. Uspostaviti slijed procesa u biosintezi proteina. Zapišite odgovarajući niz brojeva.
1) sinteza mRNA na DNK
2) dostava aminokiselina u ribozom
3) formiranje peptidne veze između aminokiselina
4) dodavanje aminokiseline na tRNA
5) veza mRNK sa dve ribosomske podjedinice

Odgovori

4. Uspostaviti redoslijed faza biosinteze proteina. Zapišite odgovarajući niz brojeva.
1) odvajanje proteinske molekule od ribozoma
2) vezivanje tRNA za startni kodon
3) transkripcija
4) produžavanje polipeptidnog lanca
5) oslobađanje mRNA iz jezgra u citoplazmu

Odgovori

5. Uspostavite ispravan slijed procesa biosinteze proteina. Zapišite odgovarajući niz brojeva.
1) dodavanje amino kiseline peptidu
2) sinteza mRNA na DNK
3) kodonsko prepoznavanje antikodona
4) kombinovanje mRNA sa ribozomom
5) oslobađanje mRNA u citoplazmu

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Koji transfer RNK antikodon odgovara TGA tripletu u molekulu DNK
1) ACU
2) TsUG
3) UGA
4) AHA

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Genetski kod je univerzalan jer
1) svaka aminokiselina je kodirana trostrukom nukleotidom
2) mjesto aminokiseline u proteinskom molekulu određeno je različitim tripletima
3) isti je za sva stvorenja koja žive na Zemlji
4) nekoliko tripleta kodira jednu aminokiselinu

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Zove se dio DNK koji sadrži informacije o jednom polipeptidnom lancu
1) hromozom
2) trojka
3) genom
4) kod

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Prevođenje je proces kojim
1) broj lanaca DNK se udvostručuje
2) mRNA se sintetiše na DNK matrici
3) proteini se sintetiziraju na matriksu mRNA u ribosomu
4) prekinute su vodikove veze između molekula DNK

Odgovori

Odaberite tri opcije. Za razliku od fotosinteze, dolazi do biosinteze proteina
1) u hloroplastima
2) u mitohondrijama
3) u reakcijama plastične izmjene
4) u reakcijama matričnog tipa
5) u lizozomima
6) u leukoplastima

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Matrica za translaciju je molekul
1) tRNA
2) DNK
3) rRNA
4) mRNA

Odgovori

Sve osim dvije sljedeće karakteristike mogu se koristiti za opisivanje funkcija nukleinskih kiselina u ćeliji. Identifikujte dvije karakteristike koje „ispadaju“ sa opšte liste i zapišite brojeve pod kojima su navedene u tabeli.
1) sprovesti homeostazu
2) prenijeti nasljednu informaciju iz jezgra u ribozom
3) učestvuju u biosintezi proteina
4) dio su ćelijske membrane
5) transportne aminokiseline

Odgovori

AMINOKISELINE - KODONI mRNA
Koliko kodona mRNA kodira informacije o 20 aminokiselina? U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

AMINOKISELINE - NUKLEOTIDI mRNA
1. Deo polipeptida sastoji se od 28 aminokiselinskih ostataka. Odredite broj nukleotida u odjeljku mRNA koji sadrži informacije o primarnoj strukturi proteina.

Odgovori

2. Koliko nukleotida sadrži m-RNA ako se iz nje sintetizirani protein sastoji od 180 aminokiselinskih ostataka? U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

AMINOKISELINE - DNK NUKLEOTIDI
1. Protein se sastoji od 140 aminokiselinskih ostataka. Koliko nukleotida ima u genskoj regiji koja kodira primarnu strukturu ovog proteina?

Odgovori

2. Protein se sastoji od 180 aminokiselinskih ostataka. Koliko nukleotida ima u genu koji kodira sekvencu aminokiselina u ovom proteinu. U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

3. Fragment molekule DNK kodira 36 aminokiselina. Koliko nukleotida sadrži ovaj fragment molekule DNK? Zapišite odgovarajući broj u svom odgovoru.

Odgovori

4. Polipeptid se sastoji od 20 aminokiselinskih jedinica. Odredite broj nukleotida u genskoj regiji koji kodiraju ove aminokiseline u polipeptidu. Napišite svoj odgovor kao broj.

Odgovori

5. Koliko nukleotida u genskom dijelu kodira proteinski fragment od 25 aminokiselinskih ostataka? U svom odgovoru napišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

6. Koliko nukleotida u fragmentu lanca DNK šablona kodira 55 aminokiselina u polipeptidnom fragmentu? U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

AMINOKISELINE - tRNA
1. Koliki je broj tRNK učestvovao u sintezi proteina koji uključuje 130 aminokiselina? Upišite odgovarajući broj u svoj odgovor.

Odgovori

2. Fragment proteinske molekule sastoji se od 25 aminokiselina. Koliko je tRNA molekula bilo uključeno u njegovo stvaranje? Zapišite samo odgovarajući broj u svom odgovoru.

Odgovori

AMINOKISELINE - TROJKE
1. Koliko tripleta sadrži fragment DNK koji kodira 36 aminokiselina? Zapišite odgovarajući broj u svom odgovoru.

Odgovori

2. Koliko tripleta kodira 32 aminokiseline? U svom odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

NUKLEOTIDI - AMINOKISELINE
1. Koliki je broj aminokiselina šifriran u dijelu gena koji sadrži 129 nukleotidnih ostataka?

Odgovori

2. Za koliko aminokiselina kodira 900 nukleotida? U svom odgovoru napišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

3. Koliki je broj aminokiselina u proteinu ako se njegov kodirajući gen sastoji od 600 nukleotida? U svom odgovoru napišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

4. Za koliko aminokiselina kodira 1203 nukleotida? U svom odgovoru napišite samo broj aminokiselina.

Odgovori

5. Koliko je aminokiselina potrebno za sintezu polipeptida ako kodirajući dio mRNA sadrži 108 nukleotida? U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

mRNA NUKLEOTIDI - DNK NUKLEOTIDI
Molekul mRNA, čiji fragment sadrži 33 nukleotidna ostatka, učestvuje u sintezi proteina. Odredite broj nukleotidnih ostataka u dijelu lanca DNK šablona.

Odgovori

NUKLEOTIDI - tRNA
Koliki je broj transportnih RNA molekula bio uključen u translaciju ako genska regija sadrži 930 nukleotidnih ostataka?

Odgovori

TROJKE - NUKLEOTIDI mRNA
Koliko nukleotida ima u fragmentu molekule mRNA ako fragment lanca koji kodira DNK sadrži 130 tripleta? U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

tRNA - AMINOKISELINE
Odredite broj aminokiselina u proteinu ako je 150 tRNA molekula bilo uključeno u proces translacije. U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

JUST
Koliko nukleotida čini jedan kodon mRNA?

Odgovori

Koliko nukleotida čini jedan stop kodon mRNA?

Odgovori

Koliko nukleotida čini tRNA antikodon?

Odgovori

TEŠKO
Protein ima relativnu molekulsku masu od 6000. Odredite broj aminokiselina u molekulu proteina ako je relativna molekulska težina jednog aminokiselinskog ostatka 120. U svoj odgovor upišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

U dva lanca DNK molekula ima 3000 nukleotida. Informacije o strukturi proteina su kodirane na jednom od lanaca. Izbrojite koliko je aminokiselina kodirano na jednom lancu DNK. U svom odgovoru zapišite samo broj koji odgovara broju aminokiselina.

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Ista aminokiselina odgovara antikodonu UCA na transfer RNK i tripletu u genu na DNK
1) GTA
2) ACA
3) TGT
4) TCA

Odgovori

Odaberite jednu, najispravniju opciju. Sintezu hemoglobina u ćeliji kontroliše određeni segment molekule DNK, tzv.
1) kodon
2) trojka
3) genetski kod
4) genom

Odgovori

U kojoj od navedenih ćelijskih organela se javljaju reakcije sinteze matriksa? Identifikujte tri tačne tvrdnje sa opšte liste i zapišite brojeve pod kojima su naznačene.
1) centrioli
2) lizozomi
3) Golgijev aparat
4) ribozomi
5) mitohondrije
6) hloroplasti

Odgovori

Pogledajte sliku koja prikazuje procese koji se odvijaju u ćeliji i naznačite A) naziv procesa označen slovom A, B) naziv procesa označen slovom B, C) naziv vrste hemijskih reakcija. Za svako slovo odaberite odgovarajući termin sa ponuđene liste.
1) replikacija
2) transkripcija
3) emitovanje
4) denaturacija
5) egzotermne reakcije
6) reakcije supstitucije
7) reakcije sinteze matrice
8) reakcije cijepanja

Odgovori

Pogledajte sliku i naznačite (A) naziv procesa 1, (B) naziv procesa 2, (c) konačni proizvod procesa 2. Za svako slovo odaberite odgovarajući termin ili koncept sa ponuđene liste.
1) tRNA
2) polipeptid
3) ribosom
4) replikacija
5) emitovanje
6) konjugacija
7) ATP
8) transkripcija

Odgovori

Uspostavite korespondenciju između procesa i faza sinteze proteina: 1) transkripcije, 2) translacije. Napišite brojeve 1 i 2 ispravnim redoslijedom.
A) prijenos aminokiselina putem tRNA
B) DNK je uključen
B) sinteza mRNA
D) formiranje polipeptidnog lanca
D) javlja se na ribozomu

Odgovori

Svi dolje navedeni znakovi, osim dva, koriste se za opisivanje procesa prikazanog na slici. Identifikujte dvije karakteristike koje “ispadaju” sa opće liste i zapišite brojeve pod kojima su označene.
1) prema principu komplementarnosti, nukleotidni niz molekula DNK se prevodi u nukleotidni niz molekula različitih tipova RNK
2) proces pretvaranja nukleotidne sekvence u sekvencu aminokiselina
3) proces prenosa genetske informacije od jezgra do mesta sinteze proteina
4) proces se odvija u ribosomima
5) rezultat procesa je sinteza RNK

Odgovori

Molekularna težina polipeptida je 30.000 c.u. Odredite dužinu gena koji ga kodira ako je molekulska težina jedne aminokiseline u prosjeku 100, a razmak između nukleotida u DNK 0,34 nm. U odgovoru zapišite samo odgovarajući broj.

Odgovori

Odaberite dvije od dolje navedenih reakcija koje se odnose na reakcije sinteze matrice. Zapišite brojeve pod kojima su naznačeni.
1) sinteza celuloze
2) ATP sinteza
3) biosinteza proteina
4) oksidacija glukoze
5) Replikacija DNK

Odgovori

Odaberite tri tačna odgovora od šest i zapišite brojeve pod kojima su navedeni u tabeli. Matrične reakcije u ćelijama uključuju
1) Replikacija DNK
2) fotoliza vode
3) Sinteza RNK
4) hemosinteza
5) biosinteza proteina
6) ATP sinteza

Odgovori

Sve sljedeće karakteristike, osim dvije, mogu se koristiti za opisivanje procesa biosinteze proteina u ćeliji. Identifikujte dvije karakteristike koje „ispadaju“ sa opšte liste i zapišite brojeve pod kojima su navedene u vašem odgovoru.
1) Proces se odvija u prisustvu enzima.
2) Centralnu ulogu u procesu imaju molekule RNK.
3) Proces je praćen sintezom ATP-a.
4) Aminokiseline služe kao monomeri za formiranje molekula.
5) Sastavljanje proteinskih molekula vrši se u lizosomima.

Odgovori

Pronađi tri greške u datom tekstu. Navedite brojeve prijedloga u kojima su dati.(1) Tokom biosinteze proteina, javljaju se reakcije sinteze matriksa. (2) Reakcije sinteze šablona uključuju samo reakcije replikacije i transkripcije. (3) Kao rezultat transkripcije, sintetizira se mRNA, čiji je šablon cijeli molekul DNK. (4) Nakon prolaska kroz pore jezgra, mRNA ulazi u citoplazmu. (5) Messenger RNA je uključena u sintezu tRNA. (6) Transfer RNA isporučuje aminokiseline za sastavljanje proteina. (7) Energija molekula ATP-a se troši na vezu svake aminokiseline sa tRNA.

Odgovori

Za opisivanje prijevoda koriste se svi osim dva od sljedećih pojmova. Identifikujte dvije karakteristike koje “ispadaju” sa opće liste i zapišite brojeve pod kojima su označene.
1) matrična sinteza
2) mitotičko vreteno
3) polizom
4) peptidna veza
5) više masne kiseline

Odgovori

© D.V. Pozdnyakov, 2009-2019

Serija članaka koji opisuju nastanak Građanskog zakonika može se tretirati kao istraga o događajima o kojima je ostalo mnogo tragova. Međutim, razumijevanje ovih članaka zahtijeva određeni napor da se razumiju molekularni mehanizmi sinteze proteina. Ovaj članak je uvodni za seriju auto-publikacija posvećenih porijeklu genetskog koda i najbolje je mjesto za početak upoznavanja s ovom temom.
Obično genetski kod(GC) se definiše kao metoda (pravilo) za kodiranje proteina na primarnoj strukturi DNK ili RNK. U literaturi se najčešće piše da se radi o nedvosmislenoj korespondenciji sekvence od tri nukleotida u genu jednoj aminokiselini u sintetizovanom proteinu ili krajnjoj tački sinteze proteina. Međutim, postoje dvije greške u ovoj definiciji. To se odnosi na 20 takozvanih kanonskih aminokiselina, koje su dio proteina svih živih organizama bez izuzetka. Ove aminokiseline su proteinski monomeri. Greške su sljedeće:

1) Ne postoji 20 kanonskih aminokiselina, već samo 19. Aminokiselinom možemo nazvati supstancu koja istovremeno sadrži amino grupu -NH 2 i karboksilnu grupu - COOH. Činjenica je da proteinski monomer - prolin - nije aminokiselina, jer sadrži imino grupu umjesto amino grupe, pa je ispravnije nazvati prolin iminokiselinom. Međutim, u budućnosti, u svim člancima posvećenim HA, radi praktičnosti, pisat ću oko 20 aminokiselina, podrazumijevajući navedenu nijansu. Strukture aminokiselina prikazane su na Sl. 1.

Rice. 1. Strukture kanonskih aminokiselina. Aminokiseline imaju konstantne dijelove, označene crnom bojom na slici, i varijabilne dijelove (ili radikale), označene crvenom bojom.

2) Odgovaranje aminokiselina kodonima nije uvijek jednoznačno. Za kršenje slučajeva nedvosmislenosti, pogledajte dolje.

Pojava GC znači pojavu kodirane sinteze proteina. Ovaj događaj je jedan od ključnih događaja za evolucijsku formaciju prvih živih organizama.

Struktura HA je predstavljena u kružnom obliku na Sl. 2.

Rice. 2. Genetski kod u kružnom obliku. Unutrašnji krug je prvo slovo kodona, drugo krug - drugo slovo kodona, treći krug - treće slovo kodona, četvrti krug - oznaka aminokiselina u kratici od tri slova; P - polarne aminokiseline, NP - nepolarne aminokiseline. Za jasnoću simetrije važan je odabrani redosled simbola U - C - A - G .

Dakle, počnimo s opisom glavnih svojstava HA.

1. Trojstvo. Svaka aminokiselina je kodirana nizom od tri nukleotida.

2. Prisustvo intergenskih znakova interpunkcije. Intergenski znakovi interpunkcije uključuju sekvence nukleinskih kiselina na kojima prijevod počinje ili se završava.

Prevođenje ne može početi ni od jednog kodona, već samo od strogo definiranog - počinjati. Početni kodon uključuje AUG triplet, od kojeg počinje prijevod. U ovom slučaju, ovaj triplet kodira ili metionin ili drugu aminokiselinu - formilmetionin (kod prokariota), koja se može uključiti samo na početku sinteze proteina. Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 stop kodoni, ili stop svjetla: UAA, UAG, UGA. Oni prekidaju translaciju (tzv. sintezu proteina na ribosomu).

3. Kompaktnost ili odsustvo intragenskih znakova interpunkcije. Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona.

4. Bez preklapanja. Kodoni se ne preklapaju jedni s drugima; svaki ima svoj uređeni skup nukleotida, koji se ne preklapa sa sličnim skupovima susjednih kodona.

5. Degeneracija. Obrnuta korespondencija u smjeru aminokiselina-kodon je dvosmislena. Ovo svojstvo se naziva degeneracija. Serije je skup kodona koji kodiraju jednu aminokiselinu, drugim riječima, to je grupa ekvivalentni kodoni. Zamislimo kodon kao XYZ. Ako XY specificira "čulo" (tj. aminokiselinu), tada se naziva kodon jaka. Ako je za određivanje značenja kodona potreban određeni Z, onda se takav kodon naziva slab.

Degeneracija koda je usko povezana s dvosmislenošću uparivanja kodon-antikodon (antikodon znači sekvencu od tri nukleotida na tRNA, koja se može komplementarno upariti s kodonom na glasničkoj RNK (pogledajte dva članka za više detalja o tome: Molekularni mehanizmi za osiguranje degeneracije koda I Lagerquistovo pravilo. Fizičko-hemijsko opravdanje Rumerovih simetrija i odnosa). Jedan antikodon na tRNA može prepoznati jedan do tri kodona na mRNA.

6.Nedvosmislenost. Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator translacije.

Postoje tri poznata izuzetka.

Prvo. Kod prokariota, na prvoj poziciji (veliko slovo), kodira formilmetionin, a na bilo kojoj drugoj poziciji metionin. , koji unutar gena kodiraju valin i leucin, respektivno.

U mnogim proteinima, formilmetionin se cijepa ili se formilna grupa uklanja, što rezultira pretvaranjem formilmetionina u obični metionin.

Sekunda. Godine 1986. nekoliko grupa istraživača otkrilo je da UGA stop kodon na mRNA može kodirati selenocistein (vidi sliku 3), pod uvjetom da ga prati posebna nukleotidna sekvenca.

Rice. 3. Struktura 21. aminokiseline - selenocistein.

U E. coli(ovo je latinski naziv za Escherichia coli) selenocysteyl-tRNA tokom prevođenja prepoznaje UGA kodon u mRNA, ali samo u određenom kontekstu: da bi UGA kodon bio prepoznat kao smislen, sekvenca od 45 nukleotida dužine koja se nalazi iza UGA kodon je važan.

Razmatrani primjer pokazuje da, ako je potrebno, živi organizam može promijeniti značenje standardnog genetskog koda. U ovom slučaju, genetske informacije sadržane u genima su kodirane na složeniji način. Značenje kodona se određuje u kontekstu specifične produžene nukleotidne sekvence i uz učešće nekoliko visoko specifičnih proteinskih faktora. Važno je da je selenocisteinska tRNA pronađena kod predstavnika sve tri grane života (arheje, eubakterije i eukarioti), što ukazuje na drevno porijeklo sinteze selenocisteina, te na njegovu moguću prisutnost u posljednjem univerzalnom zajedničkom pretku (koji će raspravljati u drugim člancima). Najvjerovatnije, selenocistein se nalazi u svim živim organizmima bez izuzetka. Ali u bilo kojem organizmu, selenocistein se nalazi u ne više od desetina proteina. Dio je aktivnih centara enzima, u brojnim homolozima kojih obični cistein može funkcionirati u sličnoj poziciji.

Donedavno se vjerovalo da se UGA kodon može čitati ili kao selenocistein ili terminalni, no nedavno se pokazalo da kod cilijata Euplotes UGA kodon kodira ili cistein ili selenocistein. Cm. " Genetski kod dozvoljava odstupanja"

Treći izuzetak. Neki prokarioti (5 vrsta arheja i jedna eubakterija - informacije na Wikipediji su veoma zastarele) sadrže posebnu kiselinu - pirolizin (slika 4). Kodira ga UAG triplet, koji u kanonskom kodu služi kao terminator prijevoda. Pretpostavlja se da se u ovom slučaju, slično kao kod selenocisteinskog kodiranja, čitanje UAG-a kao pirolizinskog kodona događa zbog posebne strukture na mRNA. Pirolizinska tRNA sadrži antikodon CTA i aminoaciliraju ga ARSaze klase 2 (za klasifikaciju ARSaza, pogledajte članak „Kodaze pomažu da se razumije kako genetski kod ").

UAG se rijetko koristi kao stop kodon, a kada se koristi, često ga prati drugi stop kodon.

Rice. 4. Struktura 22. aminokiseline pirolizina.

7. Svestranost. Nakon što je dešifrovanje Građanskog zakonika završeno sredinom 60-ih godina prošlog vijeka, dugo se vjerovalo da je kodeks isti u svim organizmima, što ukazuje na jedinstvo nastanka cijelog života na Zemlji.

Pokušajmo razumjeti zašto je Građanski zakonik univerzalan. Činjenica je da ako bi se u tijelu promijenilo barem jedno pravilo kodiranja, to bi dovelo do promjene strukture značajnog dijela proteina. Takva promjena bi bila previše drastična i stoga gotovo uvijek smrtonosna, budući da promjena u značenju samo jednog kodona može utjecati u prosjeku na 1/64 svih sekvenci aminokiselina.

Ovo dovodi do jedne vrlo važne ideje: GC se gotovo nije promijenio od svog formiranja prije više od 3,5 milijardi godina. To znači da njegova struktura nosi trag svog porijekla, a analiza ove strukture može pomoći da se shvati kako je GC mogao nastati.

Zapravo, HA se može donekle razlikovati u bakterijama, mitohondrijima, nuklearnom kodu nekih cilijata i kvasca. Trenutno postoji najmanje 17 genetskih kodova koji se razlikuju od kanonskog za 1-5 kodona. Ukupno se u svim poznatim varijantama odstupanja od univerzalnog GK koristi 18 različitih zamjena značenja kodona. Najviše odstupanja od standardnog koda poznato je za mitohondrije - 10. Važno je napomenuti da su mitohondrije kičmenjaka, pljosnatih crva i bodljokožaca kodirani različitim kodovima, a plijesni, protozoe i koelenterati su kodirani jednim.

Evolucijska blizina vrsta uopće ne jamči da imaju slične GC. Genetski kodovi mogu varirati čak i između različitih vrsta mikoplazme (neke vrste imaju kanonski kod, dok druge imaju divergentne). Slična situacija je uočena i za kvasac.

Važno je napomenuti da su mitohondrije potomci simbiotskih organizama koji su se prilagodili da žive unutar ćelija. Imaju znatno smanjen genom; neki geni su se preselili u ćelijsko jezgro. Stoga promjene u HA kod njih više nisu tako dramatične.

Izuzeci otkriveni kasnije su od posebnog interesa sa evolucijske tačke gledišta, jer mogu pomoći u rasvjetljavanju mehanizama evolucije koda.

Tabela 1.

Mitohondrijski kodovi u različitim organizmima.

Codon	Univerzalni kod	Mitohondrijski kodovi
		Kičmenjaci	Beskičmenjaci	Kvasac	Biljke
U.G.A.	STOP	Trp	Trp	Trp	STOP
AUA	Ile	Met	Met	Met	Ile
CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
A.G.A.	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg
AGG	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg

Tri mehanizma za promjenu aminokiseline kodirane kodom.

Prvi je kada neki organizam ne koristi (ili gotovo ne koristi) određeni kodon zbog neravnomjernog pojavljivanja nekih nukleotida (GC sastav), ili kombinacije nukleotida. Kao rezultat, takav kodon može potpuno nestati iz upotrebe (na primjer, zbog gubitka odgovarajuće tRNA), a kasnije se može koristiti za kodiranje druge aminokiseline bez nanošenja značajne štete tijelu. Ovaj mehanizam može biti odgovoran za pojavu nekih dijalekata koda u mitohondrijima.

Drugi je transformacija stop kodona u smisao za jajne ćelije. U ovom slučaju, neki od prevedenih proteina mogu imati dodatke. Situaciju, međutim, djelimično spašava činjenica da mnogi geni često završavaju ne jednim, već dva stop kodona, jer su moguće greške u translaciji, u kojima se stop kodoni čitaju kao aminokiseline.

Treće je moguće dvosmisleno čitanje određenih kodona, kao što je slučaj kod nekih gljiva.

8 . Povezivanje. Grupe ekvivalentnih kodona (tj. kodona koji kodiraju istu aminokiselinu) nazivaju se u seriji. GC sadrži 21 seriju, uključujući stop kodone. U nastavku će se, radi određenosti, zvati svaka grupa kodona veza, ako iz svakog kodona ove grupe možete ići na sve ostale kodone iste grupe uzastopnim supstitucijama nukleotida. Od 21 serije, 18 je povezano, 2 serije sadrže po jedan kodon, a samo 1 serija za aminokiselinski serin je nepovezana i raspada se u dvije povezane podserije.

Rice. 5. Grafikoni povezivanja za neke serije kodova. a - povezani niz valina; b - povezani niz leucina; Serija serina je nekoherentna i dijeli se na dvije povezane podserije. Slika je preuzeta iz članka V.A. Ratner" Genetski kod kao sistem."

Svojstvo povezanosti može se objasniti činjenicom da je tokom perioda formiranja GC uhvatio nove kodone, koji su se minimalno razlikovali od onih koji su već korišteni.

9. Regularnost svojstva aminokiselina na bazi korijena trojki. Sve aminokiseline kodirane trojkama korijena U su nepolarne, nemaju ekstremna svojstva i veličine i imaju alifatske radikale. Sve trojke s korijenom C imaju jake baze, a aminokiseline koje kodiraju relativno su male veličine. Sve trojke s korijenom A imaju slabe baze i kodiraju polarne aminokiseline ne male veličine. Kodone sa G korijenom karakteriziraju ekstremne i anomalne varijante aminokiselina i serije. Oni kodiraju najmanju aminokiselinu (glicin), najdužu i najravniju (triptofan), najdužu i najgrublje (arginin), najreaktivniju (cistein) i formiraju anomalnu podseriju za serin.

10. Blokiranost. Univerzalni građanski zakonik je „blok“ kod. To znači da su aminokiseline sličnih fizičko-hemijskih svojstava kodirane kodonima koji se međusobno razlikuju po jednoj bazi. Blok priroda koda je jasno vidljiva na sljedećoj slici.

Rice. 6. Blok struktura Građanskog zakonika. Aminokiseline sa alkil grupom označene su bijelom bojom.

Rice. 7. Prikaz u boji fizičko-hemijskih svojstava aminokiselina, na osnovu vrijednosti ​​opisanih u knjiziStyers "Biohemija". Na lijevoj strani je hidrofobnost. Desno je sposobnost formiranja alfa heliksa u proteinu. Crvena, žuta i plava boja označavaju aminokiseline sa visokom, srednjom i niskom hidrofobnošću (lijevo) ili odgovarajućim stepenom sposobnosti formiranja alfa heliksa (desno).

Svojstvo blokovnosti i pravilnosti može se objasniti i činjenicom da je tokom perioda formiranja GC uhvatio nove kodone, koji su se minimalno razlikovali od već korištenih.

Kodoni sa istim prvim bazama (kodonski prefiksi) kodiraju aminokiseline sa sličnim biosintetičkim putevima. Kodoni aminokiselina koji pripadaju porodicama šikimata, piruvata, aspartata i glutamata imaju U, G, A i C kao prefikse, redom. O putevima drevne biosinteze aminokiselina i njenoj povezanosti sa svojstvima modernog koda, pogledajte "Drevni dublet genetski kod bio je predodređen putevima sinteze aminokiselina." Na osnovu ovih podataka neki istraživači zaključuju da su na formiranje koda u velikoj mjeri utjecali biosintetski odnosi između aminokiselina. Međutim, sličnost biosintetskih puteva uopće ne znači sličnost fizičko-hemijskih svojstava.

11. Otpornost na buku. U najopštijem obliku, otpornost na buku HA znači da se sa slučajnim mutacijama u tačkama i greškama u translaciji, fizičko-hemijska svojstva aminokiselina ne mijenjaju mnogo.

Zamjena jednog nukleotida u tripletu u većini slučajeva ili ne dovodi do promjene kodirane aminokiseline, ili dovodi do promjene aminokiseline istog polariteta.

Jedan od mehanizama koji osigurava otpornost na buku GC-a je njegova degeneracija. Prosječna degeneracija jednaka je broju kodiranih signala/ukupnom broju kodona, pri čemu kodirani signali uključuju 20 aminokiselina i znak terminacije translacije. Prosječna degeneracija za sve aminokiseline i znak terminacije je tri kodona po kodiranom signalu.

Da bismo kvantificirali otpornost na buku, uvodimo dva koncepta. Mutacije nukleotidne supstitucije koje ne dovode do promjene klase kodirane aminokiseline nazivaju se konzervativan. Mutacije nukleotidnih supstitucija koje dovode do promjene klase kodirane aminokiseline nazivaju se radikalan .

Svaki triplet dozvoljava 9 pojedinačnih zamjena. Ukupno postoji 61 triplet koji kodira aminokiseline. Dakle, broj mogućih supstitucija nukleotida za sve kodone je

61 x 9 = 549. Od toga:

23 nukleotidne zamjene rezultiraju stop kodonima.

134 zamjene ne mijenjaju kodiranu aminokiselinu.
230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline.
162 zamjene dovode do promjene klase aminokiselina, tj. su radikalni.
Od 183 supstitucije 3. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora translacije, a 176 su konzervativne.
Od 183 supstitucije 1. nukleotida, 9 dovodi do pojave terminatora, 114 je konzervativnih, a 60 radikalnih.
Od 183 supstitucije 2. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora, 74 su konzervativne, 102 su radikalne.

Na osnovu ovih proračuna dobijamo kvantitativnu procenu otpornosti koda na buku kao odnos broja konzervativnih zamena i broja radikalnih zamena. To je jednako 364/162=2,25

Prilikom realne procjene doprinosa degeneracije otpornosti na buku, potrebno je uzeti u obzir učestalost pojave aminokiselina u proteinima, koja varira kod različitih vrsta.

Koji je razlog otpornosti koda na buku? Većina istraživača vjeruje da je ovo svojstvo posljedica odabira alternativnih GC-a.

Stephen Freeland i Lawrence Hurst generirali su nasumične takve kodove i otkrili da samo jedan od sto alternativnih kodova nije ništa manje otporan na buku od univerzalnog koda.
Još zanimljivija činjenica pojavila se kada su ovi istraživači uveli dodatno ograničenje kako bi uzeli u obzir stvarne trendove u obrascima mutacije DNK i greškama u prevođenju. U takvim uslovima, SAMO JEDAN KOD OD MILION MOGUĆIH pokazao se boljim od kanonskog koda.
Ova neviđena vitalnost genetskog koda najlakše se može objasniti činjenicom da je nastao kao rezultat prirodne selekcije. Možda je nekada u biološkom svijetu postojalo mnogo kodova, od kojih je svaki imao svoju osjetljivost na greške. Organizam koji se bolje nosio s njima imao je veće šanse da preživi, ​​a kanonski zakonik je jednostavno pobijedio u borbi za postojanje. Ova pretpostavka izgleda sasvim realistično – na kraju krajeva, znamo da alternativni kodovi zaista postoje. Za više informacija o otpornosti na buku, pogledajte Kodirana evolucija (S. Freeland, L. Hirst “Kodirana evolucija”. // U svijetu nauke. - 2004, br. 7).

U zaključku, predlažem da se izbroji broj mogućih genetskih kodova koji se mogu generirati za 20 kanonskih aminokiselina. Iz nekog razloga nigdje nisam naišao na ovaj broj. Dakle, potrebno nam je da generirani GC moraju sadržavati 20 aminokiselina i stop signal, kodiran BARM JEDNIM KODONOM.

Hajdemo mentalno numerisati kodone nekim redom. Rezonovaćemo na sledeći način. Ako imamo tačno 21 kodon, onda će svaka aminokiselina i stop signal zauzeti tačno jedan kodon. U ovom slučaju biće 21 mogući GC!

Ako postoje 22 kodona, onda se pojavljuje dodatni kodon, koji može imati jedno od bilo kojeg 21 čula, a ovaj kodon se može nalaziti na bilo kojem od 22 mjesta, dok preostali kodoni imaju tačno jedno drugačije čulo, kao u slučaju 21. kodoni. Tada dobijamo broj kombinacija 21!x(21x22).

Ako postoje 23 kodona, onda, razmišljajući slično, dobijamo da 21 kodon ima tačno jedno različito značenje svaki (21! opcija), a dva kodona imaju po 21 različito značenje (21 2 značenja sa FIKSNIM pozicijom ovih kodona). Broj različitih pozicija za ova dva kodona će biti 23x22. Ukupan broj GC varijanti za 23 kodona je 21!x21 2 x23x22

Ako postoje 24 kodona, onda će broj GC-a biti 21!x21 3 x24x23x22,...

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

Ako postoje 64 kodona, tada će broj mogućih GC biti 21!x21 43 x64!/21! = 21 43 x64! ~ 9,1x10 145

U svakoj ćeliji i organizmu, sve anatomske, morfološke i funkcionalne karakteristike određene su strukturom proteina koji ih čine. Nasljedno svojstvo tijela je sposobnost da sintetiše određene proteine. Aminokiseline se nalaze u polipeptidnom lancu od kojih zavise biološke karakteristike.
Svaka ćelija ima svoj niz nukleotida u polinukleotidnom lancu DNK. Ovo je genetski kod DNK. Preko njega se bilježe informacije o sintezi određenih proteina. Ovaj članak opisuje šta je genetski kod, njegova svojstva i genetske informacije.

Malo istorije

Ideju da bi mogao postojati genetski kod formulisali su J. Gamow i A. Down sredinom dvadesetog veka. Oni su opisali da nukleotidna sekvenca odgovorna za sintezu određene aminokiseline sadrži najmanje tri jedinice. Kasnije su dokazali tačan broj od tri nukleotida (ovo je jedinica genetskog koda), koji je nazvan triplet ili kodon. Ukupno ima šezdeset četiri nukleotida, jer se molekul kiseline u kojoj se javlja RNK sastoji od četiri različita nukleotidna ostatka.

Šta je genetski kod

Metoda kodiranja sekvence aminokiselinskih proteina zbog niza nukleotida je karakteristična za sve žive ćelije i organizme. To je ono što je genetski kod.
Postoje četiri nukleotida u DNK:

• adenin - A;
• gvanin - G;
• citozin - C;
• timin - T.

Označavaju se velikim latiničnim ili (u literaturi na ruskom jeziku) ruskim slovima.
RNK također sadrži četiri nukleotida, ali jedan od njih se razlikuje od DNK:

• adenin - A;
• gvanin - G;
• citozin - C;
• uracil - U.

Svi nukleotidi su raspoređeni u lance, pri čemu DNK ima dvostruku spiralu, a RNK jednu spiralu.
Proteini su izgrađeni na dvadesetak aminokiselina, pri čemu oni, smješteni u određenom nizu, određuju njegova biološka svojstva.

Osobine genetskog koda

Trojstvo. Jedinica genetskog koda sastoji se od tri slova, to je triplet. To znači da dvadeset postojećih aminokiselina kodiraju tri specifična nukleotida nazvana kodoni ili trilpeti. Postoje šezdeset četiri kombinacije koje se mogu stvoriti od četiri nukleotida. Ova količina je više nego dovoljna za kodiranje dvadeset aminokiselina.
Degeneracija. Svaka aminokiselina odgovara više od jednog kodona, sa izuzetkom metionina i triptofana.
Nedvosmislenost. Jedan kodon kodira jednu aminokiselinu. Na primjer, u genu zdrave osobe s informacijama o beta meti hemoglobina, triplet GAG i GAA kodira A kod svakoga ko ima bolest srpastih stanica, jedan nukleotid se mijenja.
Kolinearnost. Redoslijed aminokiselina uvijek odgovara nizu nukleotida koje gen sadrži.
Genetski kod je kontinuiran i kompaktan, što znači da nema znakova interpunkcije. To jest, počevši od određenog kodona, dolazi do kontinuiranog čitanja. Na primjer, AUGGGUGTSUAUAUGUG će se čitati kao: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Ali ne AUG, UGG i tako dalje ili bilo šta drugo.
Svestranost. Ista je za apsolutno sve kopnene organizme, od ljudi do riba, gljivica i bakterija.

Table

Nisu sve dostupne aminokiseline uključene u prikazanu tabelu. Hidroksiprolin, hidroksilizin, fosfoserin, jodni derivati ​​tirozina, cistina i neki drugi su odsutni, jer su derivati ​​drugih aminokiselina kodiranih m-RNA i nastali nakon modifikacije proteina kao rezultat translacije.
Iz svojstava genetskog koda poznato je da je jedan kodon sposoban da kodira jednu aminokiselinu. Izuzetak je genetski kod koji obavlja dodatne funkcije i kodira valin i metionin. mRNA, koja se nalazi na početku kodona, vezuje t-RNA, koja nosi formilmetion. Po završetku sinteze, on se odcjepljuje i sa sobom odnosi formilni ostatak, pretvarajući se u ostatak metionina. Dakle, gore navedeni kodoni su inicijatori sinteze polipeptidnog lanca. Ako nisu na početku, onda se ne razlikuju od ostalih.

Genetske informacije

Ovaj koncept znači program svojstava koji se prenosi od predaka. Ugrađen je u naslijeđe kao genetski kod.
Genetski kod se realizuje tokom sinteze proteina:

• glasnička RNA;
• ribosomska rRNA.

Informacije se prenose direktnom komunikacijom (DNK-RNA-protein) i obrnutom komunikacijom (srednji protein-DNK).
Organizmi ga mogu primiti, pohraniti, prenijeti i koristiti najefikasnije.
Informacije koje se prenose naslijedom određuju razvoj određenog organizma. Ali zbog interakcije s okolinom, reakcija potonjeg je iskrivljena, zbog čega dolazi do evolucije i razvoja. Na taj način se u organizam unose nove informacije.

Proračun zakona molekularne biologije i otkriće genetskog koda ilustrovalo je potrebu kombiniranja genetike s Darwinovom teorijom, na temelju koje je nastala sintetička teorija evolucije - neklasična biologija.
Darwinovo naslijeđe, varijacija i prirodna selekcija dopunjeni su genetski determiniranom selekcijom. Evolucija se ostvaruje na genetskom nivou kroz slučajne mutacije i nasljeđivanje najvrednijih osobina koje su najprilagođenije okruženju.

Dekodiranje ljudskog koda

Devedesetih godina pokrenut je Projekt Ljudski genom, kao rezultat kojeg su u dvije tisućinke otkriveni fragmenti genoma koji sadrže 99,99% ljudskih gena. Fragmenti koji nisu uključeni u sintezu proteina i nisu kodirani ostaju nepoznati. Njihova uloga je za sada nepoznata.

Posljednji put otkriven 2006. godine, hromozom 1 je najduži u genomu. Više od tri stotine pedeset bolesti, uključujući rak, javlja se kao rezultat poremećaja i mutacija u njemu.

Uloga ovakvih studija teško se može precijeniti. Kada su otkrili šta je genetski kod, postalo je poznato po kojim šablonima se razvija, kako se formira morfološka struktura, psiha, predispozicija za određene bolesti, metabolizam i defekti jedinki.

Genetski kod je sistem za beleženje naslednih informacija u molekulima nukleinske kiseline, zasnovan na određenoj alternaciji nukleotidnih sekvenci u DNK ili RNK, formirajući kodone koji odgovaraju aminokiselinama u proteinu.

Osobine genetskog koda.

Genetski kod ima nekoliko svojstava.

Trojstvo.

Degeneracija ili redundantnost.

Nedvosmislenost.

Polaritet.

Bez preklapanja.

Kompaktnost.

Svestranost.

Treba napomenuti da neki autori predlažu i druga svojstva koda vezana za hemijske karakteristike nukleotida uključenih u kod ili učestalost pojavljivanja pojedinih aminokiselina u proteinima organizma itd. Međutim, ova svojstva proizlaze iz gore navedenih, pa ćemo ih tamo razmotriti.

A. Trojstvo. Genetski kod, kao i mnogi složeno organizirani sistemi, ima najmanju strukturnu i najmanju funkcionalnu jedinicu. Triplet je najmanja strukturna jedinica genetskog koda. Sastoji se od tri nukleotida. Kodon je najmanja funkcionalna jedinica genetskog koda. Tipično, tripleti mRNA se nazivaju kodoni. U genetskom kodu, kodon obavlja nekoliko funkcija. Prvo, njegova glavna funkcija je da kodira jednu aminokiselinu. Drugo, kodon možda ne kodira aminokiselinu, ali u ovom slučaju obavlja drugu funkciju (vidi dolje). Kao što se može vidjeti iz definicije, trojka je koncept koji karakterizira osnovno strukturna jedinica genetski kod (tri nukleotida). Kodon – karakteriše elementarna semantička jedinica genom - tri nukleotida određuju vezanje jedne aminokiseline za polipeptidni lanac.

Elementarna strukturna jedinica je prvo teorijski dešifrovana, a zatim je eksperimentalno potvrđeno njeno postojanje. Zaista, 20 aminokiselina ne može biti kodirano sa jednim ili dva nukleotida jer postoje samo 4 od ovih potonjih. Tri od četiri nukleotida daju 4 3 = 64 varijante, što više nego pokriva broj dostupnih aminokiselina u živim organizmima (vidi tabelu 1).

Kombinacije 64 nukleotida predstavljene u tabeli imaju dvije karakteristike. Prvo, od 64 tripletne varijante, samo 61 su kodoni i kodiraju bilo koju aminokiselinu koju nazivaju čulni kodoni. Tri trojke ne kodiraju

aminokiseline a su stop signali koji ukazuju na kraj translacije. Postoje tri takve trojke - UAA, UAG, UGA, nazivaju se i “besmislenim” (besmisleni kodoni). Kao rezultat mutacije, koja je povezana sa zamjenom jednog nukleotida u tripletu drugim, besmisleni kodon može nastati iz osjetilnog kodona. Ova vrsta mutacije se zove besmislica mutacija. Ako se takav stop signal formira unutar gena (u njegovom informacijskom dijelu), tada će se tokom sinteze proteina na ovom mjestu proces stalno prekidati - sintetizirat će se samo prvi (prije stop signala) dio proteina. Osoba s ovom patologijom osjetit će nedostatak proteina i osjetit će simptome povezane s ovim nedostatkom. Na primjer, ova vrsta mutacije je identificirana u genu koji kodira beta lanac hemoglobina. Sintetizira se skraćeni neaktivni lanac hemoglobina koji se brzo uništava. Kao rezultat, formira se molekul hemoglobina bez beta lanca. Jasno je da takav molekul vjerovatno neće u potpunosti ispuniti svoje dužnosti. Javlja se ozbiljna bolest koja se razvija kao hemolitička anemija (beta-nula talasemija, od grčke riječi “Thalas” – Sredozemno more, gdje je ova bolest prvi put otkrivena).

Mehanizam djelovanja stop kodona razlikuje se od mehanizma djelovanja čulnih kodona. Ovo proizilazi iz činjenice da su za sve kodone koji kodiraju aminokiseline pronađene odgovarajuće tRNA. Nisu pronađene tRNA za besmislene kodone. Shodno tome, tRNA ne učestvuje u procesu zaustavljanja sinteze proteina.

CodonAUG (ponekad GUG u bakterijama) ne samo da kodiraju aminokiseline metionin i valin, već su ipokretač emitovanja .

b. Degeneracija ili redundantnost.

61 od 64 tripleta kodira 20 aminokiselina. Ovaj trostruki višak broja tripleta u odnosu na broj aminokiselina sugerira da se u prijenosu informacija mogu koristiti dvije opcije kodiranja. Prvo, ne mogu sva 64 kodona biti uključena u kodiranje 20 aminokiselina, ali samo 20 i, drugo, aminokiseline mogu biti kodirane s nekoliko kodona. Istraživanja su pokazala da je priroda koristila potonju opciju.

Njegove preferencije su očigledne. Ako bi od 64 varijante tripleta samo 20 bilo uključeno u kodiranje aminokiselina, onda bi 44 tripleta (od 64) ostala nekodirajuća, tj. besmisleni (besmisleni kodoni). Prethodno smo ukazali na to koliko je opasno za život ćelije transformirati kodirajući triplet kao rezultat mutacije u besmisleni kodon - to značajno remeti normalno funkcioniranje RNA polimeraze, što u konačnici dovodi do razvoja bolesti. Trenutno su tri kodona u našem genomu besmislica, ali sada zamislite šta bi se dogodilo da se broj besmislenih kodona poveća za oko 15 puta. Jasno je da će u takvoj situaciji prijelaz normalnih kodona u nonsens kodone biti nemjerljivo veći.

Kod u kojem je jedna aminokiselina kodirana s nekoliko tripleta naziva se degeneriranim ili redundantnim. Gotovo svaka aminokiselina ima nekoliko kodona. Dakle, aminokiselina leucin može biti kodirana sa šest tripleta - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valin je kodiran sa četiri trojke, fenilalanin sa dva i samo triptofan i metionin kodiran jednim kodonom. Svojstvo koje je povezano sa snimanjem istih informacija sa različitim simbolima se zove degeneracija.

Broj kodona određenih za jednu aminokiselinu dobro korelira sa učestalošću pojavljivanja aminokiseline u proteinima.

I to najvjerovatnije nije slučajno. Što je veća učestalost pojavljivanja aminokiseline u proteinu, to je kodon ove aminokiseline češće zastupljen u genomu, veća je vjerovatnoća da će se ona oštetiti mutagenim faktorima. Stoga je jasno da mutirani kodon ima veće šanse da kodira istu aminokiselinu ako je visoko degenerisan. Iz ove perspektive, degeneracija genetskog koda je mehanizam koji štiti ljudski genom od oštećenja.

Treba napomenuti da se termin degeneracija u molekularnoj genetici koristi u drugom smislu. Dakle, većina informacija u kodonu je sadržana u prva dva nukleotida, ispostavilo se da je baza na trećem mjestu kodona od male važnosti. Ovaj fenomen se naziva "degeneracija treće baze". Posljednja karakteristika minimizira učinak mutacija. Na primjer, poznato je da je glavna funkcija crvenih krvnih stanica transport kisika iz pluća u tkiva i ugljični dioksid iz tkiva u pluća. Ovu funkciju obavlja respiratorni pigment - hemoglobin, koji ispunjava cijelu citoplazmu eritrocita. Sastoji se od proteinskog dijela - globina, koji je kodiran odgovarajućim genom. Osim proteina, molekula hemoglobina sadrži hem, koji sadrži željezo. Mutacije globinskih gena dovode do pojave različitih varijanti hemoglobina. Najčešće su mutacije povezane sa zamjena jednog nukleotida drugim i pojava novog kodona u genu, koji može kodirati novu aminokiselinu u polipeptidnom lancu hemoglobina. U tripletu, kao rezultat mutacije, može se zamijeniti bilo koji nukleotid - prvi, drugi ili treći. Poznato je nekoliko stotina mutacija koje utiču na integritet globinskih gena. Near 400 od kojih su povezani sa zamjenom pojedinačnih nukleotida u genu i odgovarajućom zamjenom aminokiselina u polipeptidu. Samo od ovih 100 zamjene dovode do nestabilnosti hemoglobina i raznih vrsta bolesti od blagih do veoma teških. 300 (približno 64%) supstitucijskih mutacija ne utječu na funkciju hemoglobina i ne dovode do patologije. Jedan od razloga za to je i gore spomenuta “degeneracija treće baze”, kada zamjena trećeg nukleotida u tripletu koji kodira serin, leucin, prolin, arginin i neke druge aminokiseline dovodi do pojave sinonimnog kodona. koji kodiraju istu aminokiselinu. Takva mutacija se neće manifestirati fenotipski. Nasuprot tome, svaka zamjena prvog ili drugog nukleotida u tripletu u 100% slučajeva dovodi do pojave nove varijante hemoglobina. Ali čak iu ovom slučaju možda neće biti teških fenotipskih poremećaja. Razlog tome je zamjena aminokiseline u hemoglobinu drugom sličnom prvoj po fizičko-hemijskim svojstvima. Na primjer, ako je aminokiselina s hidrofilnim svojstvima zamijenjena drugom aminokiselinom, ali sa istim svojstvima.

Hemoglobin se sastoji od željezne porfirinske grupe hema (za nju su vezani molekuli kisika i ugljičnog dioksida) i proteina - globina. Hemoglobin odraslih (HbA) sadrži dva identična -lanci i dva -lanci. Molekula -lanac sadrži 141 aminokiselinski ostatak, -lanac - 146, - I -lanci se razlikuju po mnogim ostacima aminokiselina. Aminokiselinska sekvenca svakog globinskog lanca je kodirana vlastitim genom. Gensko kodiranje -lanac se nalazi u kratkom kraku hromozoma 16, -gen - u kratkom kraku hromozoma 11. Zamjena u kodiranju gena -lanac hemoglobina prvog ili drugog nukleotida gotovo uvijek dovodi do pojave novih aminokiselina u proteinu, narušavanja funkcija hemoglobina i ozbiljnih posljedica za pacijenta. Na primjer, zamjena "C" u jednom od tripleta CAU (histidin) sa "Y" će dovesti do pojave novog tripleta UAU, koji kodira drugu aminokiselinu - tirozin, fenotipski će se to manifestirati u teškoj bolesti.. A slična zamjena na poziciji 63 -lanac polipeptida histidina u tirozin će dovesti do destabilizacije hemoglobina. Razvija se bolest methemoglobinemija. Zamjena, kao rezultat mutacije, glutaminske kiseline valinom na 6. poziciji -lanac je uzročnik najteže bolesti - anemije srpastih ćelija. Hajde da ne nastavljamo tužnu listu. Napomenimo samo da se prilikom zamjene prva dva nukleotida može pojaviti aminokiselina s fizičko-hemijskim svojstvima sličnim prethodnoj. Dakle, zamjena 2. nukleotida u jednom od tripleta koji kodiraju glutaminsku kiselinu (GAA) u -lanac sa “U” dovodi do pojave novog tripleta (GUA), koji kodira valin, a zamjenom prvog nukleotida sa “A” formira se triplet AAA, koji kodira aminokiselinu lizin. Glutaminska kiselina i lizin su slični po fizičko-hemijskim svojstvima - obje su hidrofilne. Valin je hidrofobna aminokiselina. Stoga se zamjenom hidrofilne glutaminske kiseline hidrofobnim valinom značajno mijenjaju svojstva hemoglobina, što u konačnici dovodi do razvoja anemije srpastih stanica, dok se zamjenom hidrofilne glutaminske kiseline hidrofilnim lizinom u manjoj mjeri mijenja funkcija hemoglobina – kod pacijenata se razvija blagi oblik. od anemije. Kao rezultat zamjene treće baze, novi triplet može kodirati iste aminokiseline kao i prethodni. Na primjer, ako je u CAC tripletu uracil zamijenjen citozinom i pojavio se CAC triplet, tada se kod ljudi neće otkriti praktički nikakve fenotipske promjene. To je razumljivo, jer oba tripleta kodiraju istu aminokiselinu – histidin.

U zaključku, prikladno je naglasiti da su degeneracija genetskog koda i degeneracija treće baze sa opće biološke tačke gledišta zaštitni mehanizmi koji su inherentni evoluciji u jedinstvenoj strukturi DNK i RNK.

V. Nedvosmislenost.

Svaki triplet (osim besmislica) kodira samo jednu aminokiselinu. Dakle, u pravcu kodon - aminokiselina genetski kod je nedvosmislen, u pravcu amino kiselina - kodon je dvosmislen (degenerisan).

Nedvosmisleno

Kodon aminokiselina

Degenerisan

I u ovom slučaju, potreba za nedvosmislenošću u genetskom kodu je očigledna. U drugoj opciji, prilikom prevođenja istog kodona, različite aminokiseline bi se ubacile u proteinski lanac i kao rezultat bi se formirali proteini s različitim primarnim strukturama i različitim funkcijama. Ćelijski metabolizam bi se prebacio na način rada “jedan gen – nekoliko polipeptida”. Jasno je da bi u takvoj situaciji regulatorna funkcija gena bila potpuno izgubljena.

g

Čitanje informacija iz DNK i mRNA događa se samo u jednom smjeru. Polaritet je važan za definisanje struktura višeg reda (sekundarne, tercijarne, itd.). Ranije smo govorili o tome kako strukture nižeg reda određuju strukture višeg reda. Tercijarna struktura i strukture višeg reda u proteinima se formiraju čim sintetizirani lanac RNK napusti molekulu DNK ili polipeptidni lanac napusti ribozom. Dok slobodni kraj RNK ili polipeptida dobija tercijarnu strukturu, drugi kraj lanca nastavlja da se sintetiše na DNK (ako je RNK transkribovana) ili ribosomu (ako je polipeptid prepisan).

Stoga je jednosmjerni proces čitanja informacija (tokom sinteze RNK i proteina) neophodan ne samo za određivanje redoslijeda nukleotida ili aminokiselina u sintetiziranoj supstanci, već i za striktno određivanje sekundarnih, tercijalnih itd. strukture.

d.

Kod se može preklapati ili ne preklapati. Većina organizama ima kod koji se ne preklapa. Kod nekih faga nalazi se preklapajući kod.

Suština koda koji se ne preklapa je da nukleotid jednog kodona ne može istovremeno biti nukleotid drugog kodona. Ako bi se kod preklapao, tada bi sekvenca od sedam nukleotida (GCUGCUG) mogla kodirati ne dvije aminokiseline (alanin-alanin) (slika 33, A) kao u slučaju koda koji se ne preklapa, već tri (ako postoji jedan zajednički nukleotid) (slika 33, B) ili pet (ako su dva zajednička nukleotida) (vidi sliku 33, C). U posljednja dva slučaja, mutacija bilo kojeg nukleotida bi dovela do kršenja u nizu dva, tri, itd. amino kiseline.

Međutim, utvrđeno je da mutacija jednog nukleotida uvijek remeti uključivanje jedne aminokiseline u polipeptid. Ovo je značajan argument da se kod ne preklapa.

Objasnimo ovo na slici 34. Podebljane linije prikazuju triplete koji kodiraju aminokiseline u slučaju koda koji se ne preklapa i preklapa. Eksperimenti su jasno pokazali da se genetski kod ne preklapa. Ne ulazeći u detalje eksperimenta, napominjemo da ako zamijenite treći nukleotid u nizu nukleotida (vidi sliku 34)U (označeno zvjezdicom) na neku drugu stvar:

1. Sa kodom koji se ne preklapa, protein kontroliran ovom sekvencom imao bi supstituciju jedne (prve) aminokiseline (označene zvjezdicama).

2. Sa preklapajućim kodom u opciji A, supstitucija bi se dogodila u dvije (prve i druge) aminokiseline (označene zvjezdicama). Pod opcijom B, zamjena bi uticala na tri aminokiseline (označene zvjezdicama).

Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da kada je jedan nukleotid u DNK poremećen, poremećaj u proteinu uvijek pogađa samo jednu aminokiselinu, što je tipično za kod koji se ne preklapa.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

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

Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley

A B C

Nepreklapajući kod Preklapajući kod

Rice. 34. Dijagram koji objašnjava prisustvo koda koji se ne preklapa u genomu (objašnjenje u tekstu).

Nepreklapanje genetskog koda povezano je sa drugim svojstvom - čitanje informacija počinje od određene tačke - signala inicijacije. Takav inicijacijski signal u mRNA je kodon koji kodira metionin AUG.

Treba napomenuti da osoba još uvijek ima mali broj gena koji odstupaju od općeg pravila i preklapaju se.

e.

Ne postoji interpunkcija između kodona. Drugim riječima, trojke nisu odvojene jedna od druge, na primjer, jednim besmislenim nukleotidom. Eksperimentima je dokazano odsustvo "interpunkcijskih znakova" u genetskom kodu.

i. Svestranost.

Šifra je ista za sve organizme koji žive na Zemlji. Direktan dokaz univerzalnosti genetskog koda dobijen je poređenjem sekvenci DNK sa odgovarajućim sekvencama proteina. Pokazalo se da svi genomi bakterija i eukariota koriste iste skupove vrijednosti koda. Ima izuzetaka, ali ne mnogo.

Prvi izuzeci od univerzalnosti genetskog koda pronađeni su u mitohondrijima nekih životinjskih vrsta. Ovo se odnosilo na terminator kodon UGA, koji se čita isto kao i kodon UGG, koji kodira aminokiselinu triptofan. Nađena su i druga rjeđa odstupanja od univerzalnosti.

DNK kodni sistem.

Genetski kod DNK sastoji se od 64 nukleotidna tripleta. Ove trojke se nazivaju kodoni. Svaki kodon kodira jednu od 20 aminokiselina koje se koriste u sintezi proteina. Ovo daje određenu redundanciju u kodu: većinu aminokiselina kodira više od jednog kodona.
Jedan kodon obavlja dvije međusobno povezane funkcije: signalizira početak translacije i kodira uključivanje aminokiseline metionin (Met) u rastući polipeptidni lanac. Sistem kodiranja DNK je dizajniran tako da genetski kod može biti izražen ili kao RNK kodoni ili DNK kodoni. RNK kodoni se nalaze u RNK (mRNA) i ovi kodoni su u stanju da čitaju informacije tokom sinteze polipeptida (proces koji se zove translacija). Ali svaki molekul mRNA dobija nukleotidnu sekvencu u transkripciji iz odgovarajućeg gena.

Sve osim dvije aminokiseline (Met i Trp) mogu biti kodirane sa 2 do 6 različitih kodona. Međutim, genom većine organizama pokazuje da su određeni kodoni favorizirani u odnosu na druge. Kod ljudi, na primjer, alanin kodira GCC četiri puta češće nego GCG. Ovo vjerovatno ukazuje na veću efikasnost translacije translacionog aparata (na primjer, ribozoma) za neke kodone.

Genetski kod je gotovo univerzalan. Isti kodoni su dodijeljeni istom dijelu aminokiselina, a isti signali početka i zaustavljanja su uglavnom isti kod životinja, biljaka i mikroorganizama. Međutim, pronađeni su neki izuzeci. Većina uključuje dodjeljivanje jednog ili dva od tri stop kodona aminokiselini.