Koje informacije kodira genetski kod? Degeneracija genetskog koda: opće informacije

Niz članaka koji opisuju nastanak Građanskog zakonika može se smatrati istraživanjem događaja o kojima imamo vrlo malo tragova. Međutim, razumijevanje ovih članaka zahtijeva malo truda kako bi se razumjeli molekularni mehanizmi sinteze proteina. Ovaj je članak uvodni članak za niz auto-publikacija posvećenih podrijetlu genetskog koda i najbolje je mjesto za početak upoznavanja s ovom temom.
Obično genetski kod(GC) definira se kao metoda (pravilo) kodiranja proteina na primarnoj strukturi DNA ili RNA. U literaturi se najčešće piše da se radi o podudarnosti jedan-na-jedan niza od tri nukleotida u genu s jednom aminokiselinom u sintetiziranom proteinu ili krajnjoj točki sinteze proteina. Međutim, postoje dvije pogreške u ovoj definiciji. To podrazumijeva 20 takozvanih kanonskih aminokiselina, koje su dio proteina svih živih organizama bez iznimke. Ove aminokiseline su proteinski monomeri. Greške su sljedeće:

1) Kanoničnih aminokiselina nema 20, već samo 19. Aminokiselinom možemo nazvati tvar koja istovremeno sadrži amino skupinu -NH 2 i karboksilnu skupinu - COOH. Činjenica je da proteinski monomer - prolin - nije aminokiselina, budući da sadrži imino skupinu umjesto amino skupine, pa je ispravnije nazvati prolin imino kiselinom. Međutim, ubuduće ću u svim člancima o HA, radi praktičnosti, pisati oko 20 aminokiselina, što podrazumijeva naznačenu nijansu. Strukture aminokiselina prikazane su na sl. jedan.

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

2) Podudarnost aminokiselina s kodonima nije uvijek jednoznačna. U nastavku pogledajte slučajeve kršenja jedinstvenosti.

Pojava HA znači pojavu kodirane sinteze proteina. Ovaj događaj jedan je od ključnih za evolucijski nastanak prvih živih organizama.

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

Riža. 2. Genetski kod u kružnom obliku. Unutarnji krug je prvo slovo kodona, drugo krug - drugo slovo kodona, treći krug - treće slovo kodona, četvrti krug - oznake aminokiselina u troslovnoj kratici; P - polarne aminokiseline, NP - nepolarne aminokiseline. Za jasnoću simetrije važan je odabrani redoslijed simbola U-C-A-G.

Dakle, nastavimo s opisom glavnih svojstava HA.

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

2. Prisutnost međugenetskih interpunkcijskih znakova. Intergenski interpunkcijski znakovi uključuju sekvence nukleinskih kiselina na kojima translacija počinje ili završava.

Prijevod ne mogu započeti s bilo kojim kodonom, već samo sa strogo definiranim - s početkom. Početni kodon je triplet AUG, koji započinje translaciju. U ovom slučaju ovaj triplet kodira ili metionin ili drugu aminokiselinu, formilmetionin (u prokariota), koji se može uključiti samo na početku sinteze proteina. Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 terminacijski kodoni, ili stop-svjetla: UAA, UAG, UGA. Oni prekidaju translaciju (tzv. sintezu proteina na ribosomu).

3. Kompaktnost ili odsutnost intragenih interpunkcijskih znakova. Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona.

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

5. Izrođenost. Obrnuta korespondencija u smjeru aminokiselina-kodon je dvosmislena. Ovo svojstvo se naziva degeneracija. Niz je skup kodona koji kodiraju jednu aminokiselinu, drugim riječima, to je skupina ekvivalentni kodoni. Zamislite kodon kao XYZ. Ako XY definira "značenje" (tj. aminokiselinu), tada se kodon naziva snažna. Ako je za određivanje značenja kodona potreban određeni Z, tada se takav kodon naziva slab.

Degeneracija koda usko je povezana s dvosmislenošću sparivanja kodona i antikodona (antikodon znači niz od tri nukleotida na tRNA koji se može komplementarno upariti s kodonom na messenger RNA (pogledajte dva članka o tome s više detalja: Molekularni mehanizmi za osiguravanje degeneracije koda i Lagerquistovo pravilo. Fizikalno-kemijsko utemeljenje simetrija i Rumerovih relacija). Jedan antikodon po tRNA može prepoznati jedan do tri kodona po mRNA.

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

Postoje tri poznate iznimke.

Prvi. U prokariota, na prvom mjestu (veliko slovo), kodira formilmetionin, au bilo kojem drugom - metionin.Na početku gena, formilmetionin je kodiran i uobičajenim AUG metioninskim kodonom, a također i GUG valin kodonom ili UUG leucinski kodon, koji unutar gena kodira valin, odnosno leucin.

U mnogim proteinima dolazi do cijepanja formilmetionina ili uklanjanja formilne skupine, čime se formilmetionin pretvara u obični metionin.

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

Riža. 3. Struktura 21. aminokiseline - selenocisteina.

Na E coli(ovo je latinski naziv za Escherichia coli) selenocysteyl-tRNA tijekom translacije i prepoznaje UGA kodon u mRNA, ali samo u određenom kontekstu e: za prepoznavanje UGA kodona kao smislenog, niz od 45 nukleotida, koji se nalazi nakon 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 kodirane su na složeniji način. Značenje kodona određeno je u kontekstu e s određenim dugim nizom nukleotida i uz sudjelovanje nekoliko visoko specifičnih proteinskih čimbenika. Važno je da je selenocisteinska tRNA pronađena u predstavnicima sve tri grane života (arheje, eubakterije i eukarioti), što ukazuje na drevnost podrijetla sinteze selenocisteina, a možda i na njegovu prisutnost kod posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka ( o tome će biti riječi u drugim člancima). Najvjerojatnije se selenocistein nalazi u svim živim organizmima bez iznimke. Ali u svakom pojedinom organizmu selenocistein se nalazi u ne više od nekoliko desetaka proteina. Dio je aktivnih mjesta enzima, u nizu homologa od kojih obični cistein može funkcionirati na sličnoj poziciji.

Donedavno se vjerovalo da se UGA kodon može čitati ili kao selenocistein ili kao terminalni, no nedavno je pokazano da kod cilijata Euplotes UGA kodon kodira ili cistein ili selenocistein. cm." Genetski kod dopušta nedosljednosti"

Treća iznimka. U nekim prokariotima (5 vrsta arheja i jedna eubakterija - podaci na Wikipediji su jako zastarjeli) postoji posebna kiselina - pirolizin (slika 4). Kodiran je tripletom UAG, koji u kanonskom kodu služi kao terminator prijevoda. Pretpostavlja se da se u ovom slučaju, kao i kod kodiranja za selenocistein, očitavanje UAG kao pirolizinskog kodona događa zbog posebne strukture na mRNA. Pirolizinska tRNA sadrži antikodon CTA i aminoacilirana je pomoću APC-a klase 2 (za klasifikaciju APC-a pogledajte članak "Kodaze pomažu razumjeti kako genetski kod ").

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

Riža. 4. Struktura 22. aminokiseline pirolizina.

7. Svestranost. Nakon što je dekodiranje Građanskog zakonika završeno sredinom 60-ih godina prošlog stoljeća, dugo se vjerovalo da je kod svih organizama isti, što ukazuje na jedinstvo nastanka svega života na Zemlji.

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

Iz ovoga proizlazi jedna vrlo važna misao - HA se gotovo nije promijenio od svog nastanka prije više od 3,5 milijardi godina. I, stoga, njegova struktura nosi trag svoje pojave, a analiza ove strukture može pomoći da se shvati kako je točno GC mogao nastati.

U stvarnosti, HA se može malo razlikovati kod bakterija, mitohondrija, nuklearnog koda nekih ciliata i kvasaca. Trenutno postoji najmanje 17 genetskih kodova koji se razlikuju od kanonskog za 1-5 kodona.Ukupno se u svim poznatim varijantama odstupanja od univerzalnog GC koristi 18 različitih zamjena smisla a kodona. Najviše odstupanja od standardnog koda poznato je u mitohondrijima - 10. Važno je napomenuti da su mitohondriji kralješnjaka, pljosnatih crva, bodljikaša kodirani različitim kodovima, a plijesni, protozoe i koelenterati - jednim.

Evolucijska bliskost vrsta nipošto nije jamstvo da imaju slične GC. Genetski kodovi mogu se razlikovati čak i među različitim vrstama mikoplazmi (neke vrste imaju kanonski kod, dok su druge različite). Slična je situacija za kvasac.

Važno je napomenuti da su mitohondriji potomci simbiotskih organizama koji su se prilagodili životu unutar stanica. Imaju jako smanjen genom, neki od gena su se preselili u jezgru stanice. Stoga promjene u HA kod njih više nisu tako dramatične.

Iznimke otkrivene kasnije od posebnog su interesa s evolucijske točke gledišta, budući da mogu pomoći u rasvjetljavanju mehanizama evolucije koda.

Stol 1.

Mitohondrijske šifre u raznim organizmima.

Tri mehanizma za promjenu aminokiseline kodirane kodom.

Prvi je kada neki kodon ne koristi (ili gotovo ne koristi) neki organizam zbog neravnomjernog pojavljivanja pojedinih nukleotida (GC-sastava), odnosno kombinacije nukleotida. Kao rezultat toga, takav kodon može potpuno nestati iz uporabe (na primjer, zbog gubitka odgovarajuće tRNA), au budućnosti se može koristiti za kodiranje druge aminokiseline bez nanošenja značajne štete tijelu. Taj je mehanizam vjerojatno odgovoran za pojavu nekih dijalekata kodova u mitohondrijima.

Drugi je transformacija stop kodona u značenje novog. U ovom slučaju, neki od prevedenih proteina mogu imati dodatke. No, situaciju djelomično spašava činjenica da mnogi geni često završavaju ne s jednim, već s dva stop kodona, jer su moguće greške u prijevodu, u kojima se stop kodoni čitaju kao aminokiseline.

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

8 . Povezivost. Skupine ekvivalentnih kodona (odnosno kodona koji kodiraju istu aminokiselinu) nazivaju se niz. GC sadrži 21 seriju, uključujući stop kodone. U nastavku će se, radi određenosti, svaka skupina kodona zvati veza, ako je sa svakog kodona ove skupine moguće uzastopnim zamjenama nukleotida prijeći na sve ostale kodone iste skupine. Od 21 serije, 18 ih je povezano. 2 serije sadrže po jedan kodon, a samo 1 serija za aminokiselinu serin nije povezana i dijeli se u 2 povezane podserije.

Riža. 5. Grafovi povezanosti za neke kodne serije. a - povezani niz valina; b - povezani niz leucina; serija serina nije povezana, dijeli se na dvije povezane podserije. Slika je preuzeta iz članka V.A. Ratner" Genetski kod poput sustava."

Svojstvo povezanosti može se objasniti činjenicom da je tijekom razdoblja formiranja HA uhvatio nove kodone koji su se minimalno razlikovali od već korištenih.

9. Redovitost svojstva aminokiselina korijenima tripleta. Sve aminokiseline kodirane U tripletima su nepolarne, nemaju ekstremna svojstva i veličine i imaju alifatske radikale. Svi tripleti C-korijena imaju jake baze, a aminokiseline kodirane njima su relativno male. Svi tripleti s korijenom A imaju slabe baze i kodiraju ne-male polarne aminokiseline. Kodone G-korijena karakteriziraju ekstremne i abnormalne varijante aminokiselina i serija. Oni kodiraju najmanju aminokiselinu (glicin), najdužu i najplosnatiju (triptofan), najdužu i "najnespretniju" (arginin), najreaktivniju (cistein) i tvore abnormalnu podskupinu za serin.

10. Blokiranost. Univerzalni CC je "blok" kod. To znači da su aminokiseline sličnih fizikalno-kemijskih svojstava kodirane kodonima koji se međusobno razlikuju za jednu bazu. Blokiranost koda je jasno vidljiva na sljedećoj slici.

Riža. 6. Blokovska struktura Građanskog zakonika. Bijela boja označava aminokiseline s alkilnom skupinom.

Riža. 7. Predstavljanje u boji fizičko-kemijskih svojstava aminokiselina na temelju vrijednosti opisanih u knjiziStyers "Biokemija". Lijevo - hidrofobnost. S desne strane, sposobnost formiranja alfa spirale u proteinu. Crvena, žuta i plava boja označavaju aminokiseline visoke, srednje i niske hidrofobnosti (lijevo) ili odgovarajući stupanj sposobnosti formiranja alfa spirale (desno).

Svojstvo blokiranosti i pravilnosti također se može objasniti činjenicom da je tijekom razdoblja formiranja HA uhvatio nove kodone koji su se minimalno razlikovali od već korištenih.

Kodoni s istom prvom bazom (prefiks kodona) kodiraju aminokiseline sa sličnim biosintetskim putovima. Kodoni aminokiselina koji pripadaju porodicama šikimata, piruvata, aspartata i glutamata imaju prefikse U, G, A, odnosno C. Za putove drevne biosinteze aminokiselina i njihovu povezanost sa svojstvima modernog koda, vidi "Drevni dublet genetski kod je unaprijed određen putovima sinteze aminokiselina. "Na temelju ovih podataka neki istraživači zaključuju da su na formiranje koda uvelike utjecali biosintetski odnosi između aminokiselina. Međutim, sličnost biosintetskih putova uopće ne znači sličnost fizikalno-kemijskih svojstava.

11. Otpornost na buku. U svom najopćenitijem obliku, otpornost HA na buku znači da se, s nasumičnim točkastim mutacijama i pogreškama prijevoda, fizikalno-kemijska svojstva aminokiselina ne mijenjaju mnogo.

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

Jedan od mehanizama koji osiguravaju otpornost GK na buku je njegova degeneracija. Prosječna degeneracija je - broj kodiranih signala/ukupni broj kodona, pri čemu kodirani signali uključuju 20 aminokiselina i znak završetka translacije. Prosječna degeneracija za sve aminokiseline i terminacijski znak su tri kodona po kodiranom signalu.

Kako bismo kvantificirali otpornost na buku, uvodimo dva koncepta. Mutacije nukleotidnih supstitucija koje ne dovode do promjene u klasi kodirane aminokiseline nazivaju se konzervativan. Nukleotidne supstitucijske mutacije koje mijenjaju klasu kodirane aminokiseline nazivaju se radikal .

Svaki triplet dopušta 9 pojedinačnih zamjena. Postoji ukupno 61 triplet koji kodira aminokiseline. Prema tome, broj mogućih zamjena nukleotida za sve kodone je

61 x 9 = 549. Od toga:

23 nukleotidne supstitucije rezultiraju stop kodonima.

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

Na temelju ovih izračuna dobivamo kvantitativnu procjenu otpornosti koda na smetnje, kao omjer broja konzervativnih zamjena prema broju radikalnih zamjena. Jednako je 364/162=2,25

U stvarnoj procjeni doprinosa degeneracije otpornosti na buku, potrebno je uzeti u obzir učestalost pojavljivanja aminokiselina u proteinima, koja varira u različitim vrstama.

Koji je razlog za otpornost koda na buku? Većina istraživača smatra da je to svojstvo posljedica odabira alternativnih HA.

Stephen Freeland i Lawrence Hurst generirali su nasumične takve kodove i otkrili da samo jedan od stotinu alternativnih kodova nema ništa manju otpornost na buku od univerzalnog GC-a.
Još je zanimljivija činjenica izašla na vidjelo kada su ovi istraživači uveli dodatno ograničenje kako bi uzeli u obzir stvarne trendove u obrascima mutacije DNK i translacijskim pogreškama. U takvim uvjetima SAMO JEDAN KOD OD MILIJUN MOGUĆIH pokazao se boljim od kanonskog koda.
Takvu neviđenu vitalnost genetskog koda najlakše je objasniti činjenicom da je nastao kao rezultat prirodne selekcije. Možda je u jednom trenutku u biološkom svijetu bilo mnogo kodova, svaki sa svojom osjetljivošću na pogreške. Organizam koji se s njima bolje nosio imao je veću vjerojatnost da će preživjeti, a kanonski je kod jednostavno dobio borbu za opstanak. Ova se pretpostavka čini prilično realističnom - na kraju krajeva, znamo da alternativni kodovi postoje. Za više informacija o otpornosti na buku pogledajte Coded Evolution (S. Freeland, L. Hurst "Code Evolution". // U svijetu znanosti. - 2004., br. 7).

Zaključno, predlažem da se izbroji broj mogućih genetskih kodova koji se mogu generirati za 20 kanonskih aminokiselina. Iz nekog razloga ovaj broj mi nikad nije pao na pamet. Dakle, moramo imati 20 aminokiselina i stop signal kodiran BAREM JEDNIM KODONOM u generiranim GC-ima.

Mentalno ćemo numerirati kodone nekim redoslijedom. Rezonirati ćemo na sljedeći način. Ako imamo točno 21 kodon, tada će svaka aminokiselina i stop signal zauzimati točno jedan kodon. U ovom slučaju, bit će 21 mogući GC!

Ako postoje 22 kodona, tada se pojavljuje dodatni kodon, koji može imati jedno od bilo kojeg 21 značenja, a taj kodon se može nalaziti na bilo kojem od 22 mjesta, dok preostali kodoni imaju točno jedno drugo značenje y, kao u slučaju 21 kodona. Tada dobivamo broj kombinacija 21!x(21x22).

Ako postoje 23 kodona, tada, raspravljajući na sličan način, dobivamo da 21 kodon ima točno jedno različito značenje s (21! opcija), a dva kodona imaju 21 različito značenje a (21 2 značenja s na FIKSNOJ poziciji ovih kodoni). Broj različitih položaja za ova dva kodona bit će 23x22. Ukupan broj GK varijanti za 23 kodona - 21!x21 2x23x22

Ako ima 24 kodona, tada će broj GC biti 21!x21 3 x24x23x22, ...

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

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

Zahvaljujući procesu transkripcije u stanici dolazi do prijenosa informacija s DNA na protein: DNA - i-RNA - protein. Genetske informacije sadržane u DNA i mRNA sadržane su u nizu nukleotida u molekulama. Kako se odvija prevođenje informacija s "jezika" nukleotida na "jezik" aminokiselina? Ovaj prijevod se provodi pomoću genetskog koda. Kod, ili šifra, sustav je simbola za prevođenje jednog oblika informacije u drugi. Genetski kod je sustav za bilježenje informacija o slijedu aminokiselina u proteinima pomoću slijeda nukleotida u messenger RNA. Koliko je redoslijed istih elemenata (četiri nukleotida u RNK) bitan za razumijevanje i očuvanje značenja informacije može se vidjeti na jednostavnom primjeru: preslagivanjem slova u kodu riječi dobivamo riječ drugačijeg značenja - doc. Koja su svojstva genetskog koda?

1. Kod je triplet. RNA se sastoji od 4 nukleotida: A, G, C, U. Kada bismo jednu aminokiselinu pokušali označiti jednim nukleotidom, tada bi od 20 aminokiselina 16 ostalo nešifrirano. Kod od dva slova kodirao bi 16 aminokiselina (od četiri nukleotida može se napraviti 16 različitih kombinacija od kojih svaka ima po dva nukleotida). Priroda je stvorila kod od tri slova ili tripleta. To znači da je svaka od 20 aminokiselina kodirana nizom od tri nukleotida koji se naziva triplet ili kodon. Od 4 nukleotida možete napraviti 64 različite kombinacije od po 3 nukleotida (4*4*4=64). To je više nego dovoljno za kodiranje 20 aminokiselina, a čini se da su 44 kodona suvišna. Međutim, nije.

2. Kod je degeneriran. To znači da je svaka aminokiselina kodirana s više od jednog kodona (dva do šest). Izuzetak su aminokiseline metionin i triptofan, od kojih je svaka kodirana samo jednim tripletom. (To se vidi iz tablice genetskog koda.) Činjenica da je metionin kodiran jednim tripletom OUT ima posebno značenje, koje će vam kasnije postati jasno (16).

3. Šifra je nedvosmislena. Svaki kodon kodira samo jednu aminokiselinu. Kod svih zdravih ljudi u genu koji nosi informaciju o beta lancu hemoglobina, triplet GAA ili GAG, I, koji je na šestom mjestu, kodira glutaminsku kiselinu. U bolesnika s anemijom srpastih stanica drugi nukleotid u ovom tripletu zamijenjen je s U. Kao što je vidljivo iz tablice, tripleti GUA ili GUG, koji u ovom slučaju nastaju, kodiraju aminokiselinu valin. Do čega dovodi takva zamjena, već znate iz odjeljka o DNK.

4. Između gena postoje "interpunkcijski znakovi". U tiskanom tekstu na kraju svakog izraza stoji točka. Nekoliko povezanih izraza čini odlomak. U jeziku genetskih informacija, takav paragraf je operon i njegova komplementarna mRNA. Svaki gen u operonu kodira jedan polipeptidni lanac – frazu. Budući da se u nizu slučajeva nekoliko različitih polipeptidnih lanaca uzastopno stvara duž mRNA predloška, ​​oni moraju biti odvojeni jedni od drugih. Za to postoje tri posebna tripleta u genetskom kodu - UAA, UAG, UGA, od kojih svaki označava prestanak sinteze jednog polipeptidnog lanca. Dakle, ove trojke obavljaju funkciju interpunkcijskih znakova. Oni su na kraju svakog gena. Unutar gena nema "interpunkcijskih znakova". Budući da je genetski kod poput jezika, analizirajmo ovo svojstvo na primjeru takve fraze sastavljene od tripleta: mačka je mirno živjela, ta mačka je bila ljuta na mene. Značenje napisanog je jasno, unatoč nedostatku interpunkcijskih znakova. Ako uklonimo jedno slovo u prvoj riječi (jedan nukleotid u genu), ali čitamo i u trostrukim slovima, tada dobivamo besmislicu: ilb ylk ott ihb yls yls erm ilm no otk from događa se kada u genu nedostaju jedan ili dva nukleotida. Protein koji će se očitati s tako oštećenog gena neće imati nikakve veze s proteinom koji je kodiran normalnim genom.

6. Šifra je univerzalna. Genetski kod je isti za sva bića koja žive na Zemlji. U bakterijama i gljivama, pšenici i pamuku, ribama i crvima, žabama i ljudima, isti tripleti kodiraju iste aminokiseline.

Pod genetskim kodom uobičajeno je razumjeti takav sustav znakova koji označava sekvencijalni raspored nukleotidnih spojeva u DNA i RNA, što odgovara drugom sustavu znakova koji prikazuje slijed spojeva aminokiselina u proteinskoj molekuli.

To je važno!

Kada su znanstvenici uspjeli proučiti svojstva genetskog koda, univerzalnost je prepoznata kao jedna od glavnih. Da, koliko god čudno zvučalo, sve je ujedinjeno jednim, univerzalnim, zajedničkim genetskim kodom. Nastajao je dugo, a proces je završio prije otprilike 3,5 milijarde godina. Stoga se u strukturi koda mogu pratiti tragovi njegove evolucije, od trenutka nastanka do danas.

Kada govorimo o slijedu elemenata u genetskom kodu, to je daleko od toga da je kaotičan, već ima strogo definiran poredak. A to također uvelike određuje svojstva genetskog koda. Ovo je ekvivalentno rasporedu slova i slogova u riječima. Vrijedno je prekršiti uobičajeni red i većina onoga što ćemo pročitati na stranicama knjiga ili novina pretvorit će se u smiješno brbljanje.

Osnovna svojstva genetskog koda

Obično šifra nosi neke informacije šifrirane na poseban način. Da biste dešifrirali kod, morate znati razlikovna obilježja.

Dakle, glavna svojstva genetskog koda su:

• trojka;
• degeneracija ili redundantnost;
• jedinstvenost;
• kontinuitet;
• već gore spomenuta svestranost.

Pogledajmo pobliže svaku nekretninu.

1. Trostrukost

To je kada tri nukleotidna spoja tvore sekvencijalni lanac unutar molekule (tj. DNA ili RNA). Kao rezultat toga, stvara se trostruki spoj ili kodira jednu od aminokiselina, njezino mjesto u peptidnom lancu.

Kodoni (to su kodne riječi!) razlikuju se po slijedu veze i po vrsti dušikovih spojeva (nukleotida) koji su dio njih.

U genetici je uobičajeno razlikovati 64 tipa kodona. Mogu tvoriti kombinacije od četiri vrste nukleotida, po 3 u svakom. To je jednako podizanju broja 4 na treću potenciju. Dakle, moguća je tvorba kombinacije od 64 nukleotida.

2. Redundancija genetskog koda

Ovo se svojstvo opaža kada je potrebno nekoliko kodona za šifriranje jedne aminokiseline, obično unutar 2-6. A samo triptofan može biti kodiran jednim tripletom.

3. Jedinstvenost

Uvršten je u svojstva genetskog koda kao pokazatelj zdravog nasljeđa gena. Na primjer, triplet GAA na šestom mjestu u lancu može liječnicima reći o dobrom stanju krvi, o normalnom hemoglobinu. On je taj koji nosi informacije o hemoglobinu, a također ga kodira.A ako je osoba anemična, jedan od nukleotida zamjenjuje se drugim slovom koda - U, što je signal bolesti.

4. Kontinuitet

Kada pišete ovo svojstvo genetskog koda, treba imati na umu da se kodoni, poput karika lanca, nalaze ne na udaljenosti, već u neposrednoj blizini, jedan za drugim u lancu nukleinske kiseline, a taj lanac nije prekinut - ima nema početka ni kraja.

5. Svestranost

Nikada ne treba zaboraviti da je sve na Zemlji ujedinjeno zajedničkim genetskim kodom. I zato su kod primata i čovjeka, kod kukca i ptice, stogodišnjeg baobaba i vlati trave koja se jedva izlegla iz zemlje slične aminokiseline kodirane u identičnim tripletima.

Upravo u genima su pohranjene osnovne informacije o svojstvima organizma, svojevrsni program koji organizam nasljeđuje od onih koji su ranije živjeli i koji postoji kao genetski kod.

Genetski kod je posebno kodiranje nasljednih informacija uz pomoć molekula.Na temelju toga geni na odgovarajući način kontroliraju sintezu proteina i enzima u tijelu, a time određuju metabolizam. S druge strane, struktura pojedinih proteina i njihove funkcije određene su položajem i sastavom aminokiselina - strukturnih jedinica proteinske molekule.

Sredinom prošlog stoljeća identificirani su geni koji su zasebni dijelovi (skraćeno DNK). Veze nukleotida tvore karakterističan dvostruki lanac, sastavljen u obliku spirale.

Znanstvenici su pronašli vezu između gena i kemijske strukture pojedinih proteina, čija je bit da strukturni poredak aminokiselina u proteinskim molekulama u potpunosti odgovara redoslijedu nukleotida u genu. Utvrdivši tu vezu, znanstvenici su odlučili dešifrirati genetski kod, tj. utvrditi zakone korespondencije između strukturnih redova nukleotida u DNA i aminokiselina u proteinima.

Postoje samo četiri vrste nukleotida:

1) A - adenil;

2) G - gvanil;

3) T - timidil;

4) C - citidil.

Proteini sadrže dvadeset vrsta esencijalnih aminokiselina. Poteškoće su se pojavile s dešifriranjem genetskog koda, jer ima mnogo manje nukleotida nego aminokiselina. Prilikom rješavanja ovog problema sugerirano je da su aminokiseline kodirane različitim kombinacijama tri nukleotida (tzv. kodon ili triplet).

Osim toga, trebalo je objasniti kako su trojke točno smještene duž gena. Tako su nastale tri glavne skupine teorija:

1) trojke slijede jedna za drugom kontinuirano, tj. formirati kontinuirani kod;

2) tripleti su raspoređeni s izmjenom "besmislenih" dionica, tj. u kodu se formiraju takozvani "zarezi" i "odlomci";

3) trojke se mogu preklapati, tj. kraj prvog tripleta može tvoriti početak sljedećeg.

Trenutno se uglavnom koristi teorija kontinuiteta koda.

Genetski kod i njegova svojstva

1) Kod je triplet – sastoji se od proizvoljnih kombinacija tri nukleotida koji tvore kodone.

2) Genetski kod je suvišan – njegove trojke. Jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko kodona, jer prema matematičkim proračunima ima tri puta više kodona nego aminokiselina. Neki kodoni obavljaju određene terminacijske funkcije: neki mogu biti "zaustavni signali" koji programiraju završetak proizvodnje lanca aminokiselina, dok drugi mogu ukazivati ​​na početak čitanja koda.

3) Genetski kod je nedvosmislen - svakom od kodona može odgovarati samo jedna aminokiselina.

4) Genetski kod je kolinearan, tj. sekvenca nukleotida i sekvenca aminokiselina jasno odgovaraju jedna drugoj.

5) Kod je napisan kontinuirano i kompaktno, u njemu nema "besmislenih" nukleotida. Započinje određenim tripletom, koji se zamjenjuje sljedećim bez prekida i završava terminacijskim kodonom.

6) Genetski kod je univerzalan - geni svakog organizma kodiraju informacije o proteinima na potpuno isti način. To ne ovisi o stupnju složenosti organizacije organizma ili njegovom sustavnom položaju.

Moderna znanost sugerira da genetski kod nastaje izravno rođenjem novog organizma iz koštane tvari. Slučajne promjene i evolucijski procesi omogućuju bilo koje varijante koda, tj. aminokiseline se mogu preurediti bilo kojim redoslijedom. Zašto je ovakav kod preživio tijekom evolucije, zašto je kod univerzalan i ima sličnu strukturu? Što više znanost uči o fenomenu genetskog koda, to se više novih misterija pojavljuje.

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije Federalna agencija za obrazovanje

Državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "Altajsko državno tehničko sveučilište nazvano po I.I. Polzunovu"

Odjel za prirodne znanosti i analizu sustava

Esej na temu "Genetski kod"

1. Pojam genetskog koda

3. Genetske informacije

Bibliografija

1. Pojam genetskog koda

Genetski kod je jedinstveni sustav za bilježenje nasljednih informacija u molekulama nukleinskih kiselina u obliku niza nukleotida, svojstven živim organizmima. Svaki nukleotid označava se velikim slovom, kojim počinje naziv dušične baze koja je u njegovom sastavu: - A (A) adenin; - G (G) gvanin; - C (C) citozin; - T (T) timin (u DNA) ili U (U) uracil (u mRNA).

Implementacija genetskog koda u stanici odvija se u dvije faze: transkripcija i translacija.

Prvi od njih odvija se u jezgri; sastoji se u sintezi molekula mRNA na odgovarajućim dijelovima DNA. U ovom slučaju, sekvenca nukleotida DNA se "prepisuje" u sekvencu nukleotida RNA. Druga faza se odvija u citoplazmi, na ribosomima; u ovom slučaju, nukleotidna sekvenca i-RNA se prevodi u sekvencu aminokiselina u proteinu: ova faza se odvija uz sudjelovanje prijenosne RNA (t-RNA) i odgovarajućih enzima.

2. Svojstva genetskog koda

1. Trostrukost

Svaka aminokiselina je kodirana nizom od 3 nukleotida.

Triplet ili kodon je niz od tri nukleotida koji kodira jednu aminokiselinu.

Kod ne može biti monopletan, jer je 4 (broj različitih nukleotida u DNK) manji od 20. Kod ne može biti dubletan, jer 16 (broj kombinacija i permutacija 4 nukleotida sa 2) je manji od 20. Kod može biti triplet, jer 64 (broj kombinacija i permutacija od 4 do 3) je veći od 20.

2. Degeneracija.

Sve aminokiseline osim metionina i triptofana kodirane su s više od jednog tripleta: 2 aminokiseline 1 triplet = 2 9 aminokiselina 2 tripleta svaka = 18 1 aminokiselina 3 tripleta = 3 5 aminokiselina 4 tripleta = 20 3 aminokiseline 6 tripleta svaki = 18 Ukupno 61 triplet kodira za 20 aminokiselina.

3. Prisutnost intergenskih interpunkcijskih znakova.

Gen je dio DNA koji kodira jedan polipeptidni lanac ili jednu molekulu tRNA, rRNA ili sRNA.

Geni tRNA, rRNA i sRNA ne kodiraju proteine.

Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 terminacijska kodona, odnosno stop signala: UAA, UAG, UGA. Prekidaju emitiranje.

Konvencionalno, kodon AUG također pripada interpunkcijskim znakovima - prvi nakon vodećeg niza. Obavlja funkciju velikog slova. U ovom položaju kodira formilmetionin (kod prokariota).

4. Jedinstvenost.

Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator translacije.

Izuzetak je kodon AUG. Kod prokariota na prvoj poziciji (veliko slovo) kodira formilmetionin, a na bilo kojoj drugoj poziciji kodira metionin.

5. Kompaktnost, odnosno odsutnost unutargenih interpunkcijskih znakova.

Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona.

Godine 1961 Seymour Benzer i Francis Crick eksperimentalno su dokazali da je kod tripletan i kompaktan.

Bit eksperimenta: "+" mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija - gubitak jednog nukleotida. Jedna mutacija "+" ili "-" na početku gena kvari cijeli gen. Dvostruka "+" ili "-" mutacija također kvari cijeli gen. Trostruka "+" ili "-" mutacija na početku gena kvari samo njegov dio. Četverostruka mutacija "+" ili "-" opet kvari cijeli gen.

Eksperiment dokazuje da je kod trostruk i da unutar gena nema interpunkcijskih znakova. Eksperiment je proveden na dva susjedna gena faga i osim toga pokazao je prisutnost interpunkcijskih znakova između gena.

3. Genetske informacije

Genetska informacija je program svojstava organizma, primljen od predaka i ugrađen u nasljedne strukture u obliku genetskog koda.

Pretpostavlja se da se formiranje genetske informacije odvijalo prema shemi: geokemijski procesi - stvaranje minerala - evolucijska kataliza (autokataliza).

Moguće je da su prvi primitivni geni bili mikrokristalni kristali gline, a svaki novi sloj gline niže se u skladu sa strukturnim značajkama prethodnog, kao da od njega prima informacije o strukturi.

Realizacija genetske informacije događa se u procesu sinteze proteinskih molekula uz pomoć tri RNA: informacijske (mRNA), transportne (tRNA) i ribosomske (rRNA). Proces prijenosa informacija ide: - kanalom izravne komunikacije: DNA - RNA - protein; i - preko povratnog kanala: okoliš - protein - DNA.

Živi organizmi mogu primati, pohranjivati ​​i prenositi informacije. Štoviše, živi organizmi nastoje što učinkovitije koristiti dobivene informacije o sebi i svijetu oko sebe. Nasljedne informacije ugrađene u gene i potrebne živom organizmu za postojanje, razvoj i reprodukciju prenose se sa svake jedinke na njezine potomke. Ove informacije određuju smjer razvoja organizma, au procesu njegove interakcije s okolinom, reakcija na njegovu jedinku može biti iskrivljena, čime se osigurava evolucija razvoja potomaka. U procesu evolucije živog organizma nove informacije nastaju i pamte se, uključujući i vrijednost informacija za njih.

Tijekom implementacije nasljednih informacija pod određenim uvjetima okoliša formira se fenotip organizama određene biološke vrste.

Genetske informacije određuju morfološku strukturu, rast, razvoj, metabolizam, mentalno skladište, predispoziciju za bolesti i genetske nedostatke tijela.

Mnogi su znanstvenici, s pravom naglašavajući ulogu informacija u formiranju i evoluciji živih bića, primijetili ovu okolnost kao jedan od glavnih kriterija života. Dakle, V.I. Karagodin smatra: "Živo je takav oblik postojanja informacija i njima kodiranih struktura, koji osigurava reprodukciju tih informacija u odgovarajućim uvjetima okoline." Povezanost informacije sa životom primjećuje i A.A. Ljapunov: "Život je visoko uređeno stanje materije koje koristi informacije kodirane stanjima pojedinačnih molekula za razvoj trajnih reakcija." Naš poznati astrofizičar N.S. Kardashev također ističe informacijsku komponentu života: “Život nastaje zbog mogućnosti sintetiziranja posebne vrste molekula koje su sposobne zapamtiti i koristiti isprva najjednostavnije informacije o okolišu i vlastitoj strukturi, koje koriste za samoodržanje. , za reprodukciju i, što je za nas posebno važno, za dobivanje više informacija." Na ovu sposobnost živih organizama da pohranjuju i prenose informacije skreće pozornost ekolog F. Tipler u svojoj knjizi "Fizika besmrtnosti": "Život definiram kao neku vrstu kodirane informacije koja se čuva prirodnom selekcijom." Štoviše, smatra da je, ako je to tako, onda životno-informacijski sustav vječan, beskonačan i besmrtan.

Otkriće genetskog koda i uspostavljanje zakona molekularne biologije pokazalo je potrebu spajanja moderne genetike i Darwinove teorije evolucije. Tako je rođena nova biološka paradigma - sintetička teorija evolucije (STE), koja se već sada može smatrati neklasičnom biologijom.

Glavne ideje Darwinove evolucije s njegovom trijadom - nasljednost, varijabilnost, prirodna selekcija - u suvremenom pogledu na evoluciju živog svijeta nadopunjuju se idejama ne samo o prirodnoj selekciji, već o takvoj selekciji, koja je genetski određena. Početkom razvoja sintetičke ili opće evolucije može se smatrati djelo S.S. Četverikova o populacijskoj genetici, u kojem je pokazano da selekciji nisu podvrgnute pojedinačne osobine i jedinke, već genotip cijele populacije, ali se ona provodi preko fenotipskih osobina pojedinih jedinki. To dovodi do širenja korisnih promjena kroz populaciju. Dakle, mehanizam evolucije provodi se kroz nasumične mutacije na genetskoj razini i kroz nasljeđivanje najvrjednijih svojstava (vrijednost informacija!), koji određuju prilagodbu mutacijskih svojstava okolišu, dajući najsposobnije potomstvo .

Sezonske klimatske promjene, razne prirodne ili umjetno izazvane katastrofe, s jedne strane, dovode do promjene učestalosti ponavljanja gena u populacijama i, posljedično, do smanjenja nasljedne varijabilnosti. Taj se proces ponekad naziva genetski drift. A s druge strane, do promjena u koncentraciji različitih mutacija i smanjenja raznolikosti genotipova sadržanih u populaciji, što može dovesti do promjena u smjeru i intenzitetu selekcije.

4. Dešifriranje ljudskog genetskog koda

U svibnju 2006. znanstvenici koji rade na sekvencioniranju ljudskog genoma objavili su kompletnu genetsku kartu kromosoma 1, koji je bio posljednji nepotpuno sekvencionirani ljudski kromosom.

Preliminarna ljudska genetska karta objavljena je 2003. godine, označavajući službeni kraj Projekta ljudskog genoma. Unutar njega sekvencionirani su fragmenti genoma koji sadrže 99% ljudskih gena. Točnost identifikacije gena bila je 99,99%. Međutim, na kraju projekta samo su četiri od 24 kromosoma bila potpuno sekvencirana. Činjenica je da osim gena, kromosomi sadrže fragmente koji ne kodiraju nikakve osobine i nisu uključeni u sintezu proteina. Uloga koju ovi fragmenti igraju u životu organizma još uvijek nije poznata, ali sve je više istraživača sklono vjerovati da njihovo proučavanje zahtijeva najveću pozornost.