Hver levende organisme har et særligt sæt proteiner. Visse nukleotidforbindelser og deres sekvens i DNA-molekylet danner den genetiske kode. Det formidler information om proteinets struktur. Et bestemt koncept er blevet accepteret i genetik. Ifølge den svarede ét gen til ét enzym (polypeptid). Det skal siges, at forskning i nukleinsyrer og proteiner er blevet udført over en ret lang periode. Senere i artiklen vil vi se nærmere på den genetiske kode og dens egenskaber. Der vil også blive givet en kort kronologi af forskningen.
Terminologi
Den genetiske kode er en måde at kode for sekvensen af aminosyreproteiner, der involverer nukleotidsekvensen. Denne metode til at generere information er karakteristisk for alle levende organismer. Proteiner er naturlige organiske stoffer med høj molekylæritet. Disse forbindelser er også til stede i levende organismer. De består af 20 typer aminosyrer, som kaldes kanoniske. Aminosyrer er arrangeret i en kæde og forbundet i en strengt etableret sekvens. Det bestemmer strukturen af proteinet og dets biologiske egenskaber. Der er også flere kæder af aminosyrer i et protein.
DNA og RNA
Deoxyribonukleinsyre er et makromolekyle. Hun er ansvarlig for transmission, opbevaring og implementering af arvelig information. DNA bruger fire nitrogenholdige baser. Disse omfatter adenin, guanin, cytosin, thymin. RNA består af de samme nukleotider, bortset fra at det indeholder thymin. I stedet er der et nukleotid, der indeholder uracil (U). RNA- og DNA-molekyler er nukleotidkæder. Takket være denne struktur dannes sekvenser - det "genetiske alfabet".
Implementering af information
Proteinsyntese, som er kodet af genet, realiseres ved at kombinere mRNA på en DNA-skabelon (transkription). Den genetiske kode overføres også til aminosyresekvensen. Det vil sige, at syntesen af polypeptidkæden på mRNA finder sted. For at kryptere alle aminosyrer og signalet for slutningen af proteinsekvensen er 3 nukleotider nok. Denne kæde kaldes en triplet.
Studiets historie
Studiet af proteiner og nukleinsyrer har været udført i lang tid. I midten af det 20. århundrede dukkede de første ideer om arten af den genetiske kode endelig op. I 1953 blev det opdaget, at nogle proteiner består af sekvenser af aminosyrer. Sandt nok kunne de på det tidspunkt endnu ikke bestemme deres nøjagtige antal, og der var talrige stridigheder om dette. I 1953 udkom to værker af forfatterne Watson og Crick. Den første anførte om den sekundære struktur af DNA, den anden talte om dens tilladte kopiering ved hjælp af skabelonsyntese. Derudover blev der lagt vægt på, at en bestemt sekvens af baser er en kode, der bærer arvelig information. Den amerikanske og sovjetiske fysiker Georgiy Gamow antog kodningshypotesen og fandt en metode til at teste den. I 1954 blev hans arbejde offentliggjort, hvor han foreslog at etablere overensstemmelser mellem aminosyresidekæder og diamantformede "huller" og bruge dette som en kodningsmekanisme. Så blev det kaldt rombisk. Gamow forklarede sit arbejde og indrømmede, at den genetiske kode kunne være en trilling. Fysikerens arbejde var et af de første blandt dem, der blev betragtet som tæt på sandheden.
Klassifikation
I årenes løb er forskellige modeller af genetiske koder blevet foreslået af to typer: overlappende og ikke-overlappende. Den første var baseret på inklusion af et nukleotid i flere kodoner. Det inkluderer en trekantet, sekventiel og major-minor genetisk kode. Den anden model antager to typer. Ikke-overlappende koder inkluderer kombinationskode og kommafri kode. Den første mulighed er baseret på kodningen af en aminosyre med tripletter af nukleotider, og det vigtigste er dens sammensætning. Ifølge "koden uden kommaer" svarer visse tripletter til aminosyrer, men andre gør det ikke. I dette tilfælde mente man, at hvis nogen signifikante tripletter blev arrangeret sekventielt, ville andre placeret i en anden læseramme være unødvendige. Forskere mente, at det var muligt at vælge en nukleotidsekvens, der ville opfylde disse krav, og at der var præcis 20 tripletter.
Selvom Gamow og hans medforfattere stillede spørgsmålstegn ved denne model, blev den betragtet som den mest korrekte i løbet af de næste fem år. I begyndelsen af anden halvdel af det 20. århundrede dukkede nye data op, der gjorde det muligt at opdage nogle mangler i "koden uden kommaer". Det blev fundet, at kodoner er i stand til at inducere proteinsyntese in vitro. Tættere på 1965 blev princippet om alle 64 trillinger forstået. Som et resultat blev redundans af nogle kodoner opdaget. Med andre ord er aminosyresekvensen kodet af flere tripletter.
Karakteristiske træk
Egenskaberne ved den genetiske kode omfatter:
Variationer
Den første afvigelse af den genetiske kode fra standarden blev opdaget i 1979 under undersøgelsen af mitokondrielle gener i den menneskelige krop. Yderligere lignende varianter blev yderligere identificeret, herunder mange alternative mitokondrielle koder. Disse omfatter afkodningen af UGA-stopkodonet, som bruges til at bestemme tryptofan i mycoplasma. GUG og UUG i archaea og bakterier bruges ofte som startmuligheder. Nogle gange koder gener for et protein med et startkodon, der adskiller sig fra det, der normalt bruges af arten. Derudover indsættes i nogle proteiner selenocystein og pyrrolysin, som er ikke-standardiserede aminosyrer, af ribosomet. Hun læser stopkodonen. Dette afhænger af sekvenserne fundet i mRNA'et. I øjeblikket betragtes selenocystein som den 21. og pyrrolysan som den 22. aminosyre, der findes i proteiner.
Generelle træk ved den genetiske kode
Alle undtagelser er dog sjældne. I levende organismer har den genetiske kode generelt en række fælles karakteristika. Disse omfatter sammensætningen af et kodon, som omfatter tre nukleotider (de to første tilhører de definerende), overførslen af kodoner med tRNA og ribosomer til aminosyresekvensen.
Takket være processen med transkription i cellen overføres information fra DNA til protein: DNA - mRNA - protein. Den genetiske information indeholdt i DNA og mRNA er indeholdt i sekvensen af nukleotider i molekylerne. Hvordan overføres information fra nukleotidernes "sprog" til aminosyrernes "sprog"? Denne oversættelse udføres ved hjælp af den genetiske kode. En kode eller chiffer er et system af symboler til at oversætte en form for information til en anden. Den genetiske kode er et system til registrering af information om sekvensen af aminosyrer i proteiner ved hjælp af sekvensen af nukleotider i messenger RNA. Hvor vigtig præcis rækkefølgen af arrangementet af de samme elementer (fire nukleotider i RNA) er for at forstå og bevare betydningen af information, kan ses i et simpelt eksempel: Ved at omarrangere bogstaverne i ordkoden får vi et ord med en anden betydning - dok. Hvilke egenskaber har den genetiske kode?
1. Koden er triplet. RNA består af 4 nukleotider: A, G, C, U. Hvis vi forsøgte at udpege én aminosyre med ét nukleotid, ville 16 ud af 20 aminosyrer forblive ukrypteret. En kode på to bogstaver ville kryptere 16 aminosyrer (fra fire nukleotider kan der laves 16 forskellige kombinationer, som hver indeholder to nukleotider). Naturen har skabt en kode på tre bogstaver, eller triplet. Det betyder, at hver af de 20 aminosyrer er kodet af en sekvens på tre nukleotider, kaldet en triplet eller kodon. Ud fra 4 nukleotider kan du skabe 64 forskellige kombinationer af 3 nukleotider hver (4*4*4=64). Dette er mere end nok til at kode for 20 aminosyrer, og det ser ud til, at 44 kodoner er overflødige. Det er det dog ikke.
2. Koden er degenereret. Det betyder, at hver aminosyre er krypteret med mere end én kodon (fra to til seks). Undtagelserne er aminosyrerne methionin og tryptofan, som hver kun er kodet af én triplet. (Dette kan ses i den genetiske kodetabel.) Det faktum, at methionin er kodet af en enkelt OUT-triplet, har en særlig betydning, som vil blive tydelig for dig senere (16).
3. Koden er utvetydig. Hvert kodon koder kun for én aminosyre. Hos alle raske mennesker, i genet, der bærer information om beta-kæden af hæmoglobin, koder tripletten GAA eller GAG, I på sjettepladsen, for glutaminsyre. Hos patienter med seglcelleanæmi erstattes det andet nukleotid i denne triplet med U. Som det ses af tabellen koder tripletterne GUA eller GUG, som dannes i dette tilfælde, for aminosyren valin. Du ved allerede, hvad sådan en udskiftning fører til, fra afsnittet om DNA.
4. Der er "tegnsætningstegn" mellem gener. I trykt tekst er der et punktum i slutningen af hver sætning. Flere relaterede sætninger udgør et afsnit. I sproget for genetisk information er et sådant afsnit et operon og dets komplementære mRNA. Hvert gen i operonet koder for én polypeptidkæde - en sætning. Da der i nogle tilfælde skabes flere forskellige polypeptidkæder sekventielt ud fra mRNA-matrixen, skal de adskilles fra hinanden. Til dette formål er der tre specielle tripletter i den genetiske kode - UAA, UAG, UGA, som hver angiver afslutningen af syntesen af en polypeptidkæde. Disse trillinger fungerer således som tegnsætningstegn. De findes i slutningen af hvert gen. Der er ingen "tegnsætningstegn" inde i genet. Da den genetiske kode ligner et sprog, lad os analysere denne egenskab ved at bruge eksemplet med en sætning sammensat af trillinger: der var engang en stille kat, den kat var mig kær. Meningen af det skrevne er klar, på trods af fraværet af tegnsætningstegn Hvis vi fjerner ét bogstav i det første ord (et nukleotid i genet), men også læser i trillinger af bogstaver, så bliver resultatet noget sludder: ilb ylk ott ilb yls erm ilm no otk Overtrædelse af betydningen sker også, når et eller to nukleotider går tabt fra et gen. Det protein, der vil blive aflæst fra et sådant beskadiget gen, vil ikke have noget til fælles med det protein, der blev kodet af det normale gen .
6. Koden er universel. Den genetiske kode er den samme for alle skabninger, der lever på Jorden. I bakterier og svampe, hvede og bomuld, fisk og orme, frøer og mennesker koder de samme trillinger for de samme aminosyrer.
Når det er nødvendigt at syntetisere proteiner, opstår der et alvorligt problem før cellen - information i DNA lagres i form af en sekvens kodet 4 tegn(nukleotider), og proteiner består af 20 forskellige symboler(aminosyrer). Hvis du forsøger at bruge alle fire symboler på én gang til at kode for aminosyrer, får du kun 16 kombinationer, mens der er 20 proteinogene aminosyrer. Der er ikke nok...
Der er et eksempel på strålende tænkning om denne sag:
"Tag for eksempel et sæt spillekort, hvor vi kun er opmærksomme på kortets farve. Hvor mange trillinger af samme type kan du få? Fire, selvfølgelig: tre med hjerter, tre med ruder, tre med spar og tre med kløver. Hvor mange trillinger er der med to kort i samme kulør og et af en anden kulør? Lad os sige, at vi har fire valgmuligheder for det tredje kort. Derfor har vi 4x3 = 12 muligheder. Derudover har vi fire trillinger med alle tre forskellige kort. Så 4+12+4=20, og dette er det nøjagtige antal aminosyrer, som vi ønskede at få" (George Gamow, eng. George Gamow, 1904-1968, sovjetisk og amerikansk teoretisk fysiker, astrofysiker og videnskabens popularisator) .
Faktisk har eksperimenter bevist, at der for hver aminosyre er to obligatoriske nukleotider og en tredje variabel, mindre specifik (“ gyngende effekt"). Tager man tre karakterer ud af fire, får man 64 kombinationer, hvilket i høj grad overstiger antallet af aminosyrer. Således finder man ud af, at enhver aminosyre er kodet af tre nukleotider. Denne trio kaldes kodon. Som allerede nævnt er der 64 muligheder. Tre af dem koder ikke for nogen aminosyre; disse er de såkaldte " nonsens-kodoner"(Fransk) nonsens- nonsens) eller "stop-kodoner".
Genetisk kode
Den genetiske (biologiske) kode er en måde at indkode information om strukturen af proteiner på i form af en nukleotidsekvens. Det er designet til at oversætte nukleotidernes fire-tegnssprog (A, G, U, C) til aminosyrernes tyve-tegnssprog. Det har karakteristiske egenskaber:
- Trefoldighed– tre nukleotider danner et kodon, der koder for en aminosyre. Der er i alt 61 sense-kodoner.
- Specificitet(eller entydighed) – hver kodon svarer kun til én aminosyre.
- Degeneration– én aminosyre kan svare til flere kodoner.
- Alsidighed– den biologiske kode er den samme for alle typer af organismer på Jorden (der er dog undtagelser i pattedyrs mitokondrier).
- Kolinearitet– sekvensen af kodoner svarer til sekvensen af aminosyrer i det kodede protein.
- Ikke-overlappende– trillinger overlapper ikke hinanden, idet de er placeret ved siden af hinanden.
- Ingen tegnsætning- der er ingen yderligere nukleotider eller andre signaler mellem tripletterne.
- Ensrettethed– under proteinsyntese aflæses kodoner sekventielt uden at springe over eller gå tilbage.
Det er dog klart, at den biologiske kode ikke kan udtrykke sig uden yderligere molekyler, der udfører en overgangsfunktion el adapter funktion.
Overførsels-RNA'ers adapterrolle
Overførsels-RNA'er er det eneste mellemled mellem nukleinsyresekvensen på 4 bogstaver og proteinsekvensen på 20 bogstaver.
Hvert transfer-RNA har en specifik tripletsekvens i antikodonsløjfen ( anticodon) og kan kun vedhæfte en aminosyre, der matcher denne anticodon. Det er tilstedeværelsen af et eller andet anticodon i tRNA, der bestemmer, hvilken aminosyre der skal indgå i proteinmolekylet, pga. hverken ribosomet eller mRNA'et genkender aminosyren.
Dermed, adapterrolle af tRNA er:
- i specifik binding til aminosyrer,
- specifik, i henhold til codon-antikodon-interaktion, binding til mRNA,
- og som et resultat af inkorporeringen af aminosyrer i proteinkæden i overensstemmelse med informationen i mRNA'et.
Tilføjelsen af en aminosyre til tRNA udføres af et enzym aminoacyl-tRNA syntetase, som har specificitet for to forbindelser samtidigt: enhver aminosyre og dens tilsvarende tRNA. Reaktionen kræver to højenergi-ATP-bindinger. Aminosyren binder sig til 3"-enden af tRNA-acceptorsløjfen gennem dens α-carboxylgruppe, og bindingen mellem aminosyren og tRNA'et bliver makroergisk. α-aminogruppen forbliver fri.
Aminoacyl-tRNA syntesereaktion
Da der er omkring 60 forskellige tRNA'er, har nogle aminosyrer to eller flere tRNA'er. Forskellige tRNA'er, der tilføjer den samme aminosyre, kaldes isoacceptor.
I dag er det ingen hemmelighed for nogen, at alle levende organismers livsprogram er skrevet på et DNA-molekyle. Den nemmeste måde at forestille sig et DNA-molekyle er som en lang stige. De lodrette stolper på denne trappe består af molekyler af sukker, ilt og fosfor. Alle vigtige driftsoplysninger i molekylet er skrevet på stigens trin - de består af to molekyler, som hver er fastgjort til en af de lodrette stolper. Disse molekyler – de nitrogenholdige baser – kaldes adenin, guanin, thymin og cytosin, men de er normalt blot betegnet med bogstaverne A, G, T og C. Formen på disse molekyler gør det muligt for dem at danne bindinger – komplette stiger – kun af en bestemt type. Disse er forbindelser mellem baserne A og T og mellem baserne G og C (det således dannede par kaldes "basepar"). Der kan ikke være andre typer forbindelser i et DNA-molekyle.
Ved at gå ned ad trinene langs en streng af et DNA-molekyle får du en sekvens af baser. Det er denne besked i form af en sekvens af baser, der bestemmer strømmen af kemiske reaktioner i cellen og som følge heraf karakteristikaene for den organisme, der besidder dette DNA. Ifølge molekylærbiologiens centrale dogme koder DNA-molekylet for information om proteiner, som igen fungerer som enzymer ( cm. Katalysatorer og enzymer) regulerer alle kemiske reaktioner i levende organismer.
Den strenge overensstemmelse mellem sekvensen af basepar i et DNA-molekyle og sekvensen af aminosyrer, der udgør proteinenzymer, kaldes den genetiske kode. Den genetiske kode blev dechifreret kort efter opdagelsen af den dobbeltstrengede struktur af DNA. Det var kendt, at det nyopdagede molekyle oplysende, eller matrix RNA (mRNA eller mRNA) bærer information skrevet på DNA. Biokemikerne Marshall W. Nirenberg og J. Heinrich Matthaei fra National Institutes of Health i Bethesda, nær Washington, D.C., udførte de første eksperimenter, der førte til spor til den genetiske kode.
De begyndte med at syntetisere kunstige mRNA-molekyler, der kun bestod af den gentagne nitrogenholdige base uracil (som er en analog af thymin, "T", og kun danner bindinger med adenin, "A", fra DNA-molekylet). De tilføjede disse mRNA'er til reagensglas med en blanding af aminosyrer, og i hvert rør var kun en af aminosyrerne mærket med et radioaktivt mærke. Forskerne opdagede, at det mRNA, de kunstigt syntetiserede, igangsatte proteindannelse i kun ét reagensglas, som indeholdt den mærkede aminosyre phenylalanin. Så de fastslog, at sekvensen "—U—U—U—" på mRNA-molekylet (og derfor den ækvivalente sekvens "—A—A—A—" på DNA-molekylet) koder for et protein, der kun består af aminosyren phenylalanin. Dette var det første skridt mod at dechifrere den genetiske kode.
I dag er det kendt, at tre basepar af et DNA-molekyle (denne triplet kaldes kodon) koder for én aminosyre i et protein. Ved at udføre eksperimenter, der ligner dem, der er beskrevet ovenfor, dechiffrerede genetikere til sidst hele den genetiske kode, hvor hver af de 64 mulige kodoner svarer til en specifik aminosyre.
I enhver celle og organisme er alle anatomiske, morfologiske og funktionelle egenskaber bestemt af strukturen af de proteiner, der omfatter dem. Kroppens arvelige egenskab er evnen til at syntetisere visse proteiner. Aminosyrer er placeret i en polypeptidkæde, som biologiske egenskaber afhænger af.
Hver celle har sin egen sekvens af nukleotider i polynukleotidkæden af DNA. Dette er den genetiske kode for DNA. Gennem det registreres information om syntesen af visse proteiner. Denne artikel beskriver, hvad den genetiske kode er, dens egenskaber og genetisk information.
Lidt historie
Ideen om, at der kunne være en genetisk kode, blev formuleret af J. Gamow og A. Down i midten af det tyvende århundrede. De beskrev, at nukleotidsekvensen, der er ansvarlig for syntesen af en bestemt aminosyre, indeholder mindst tre enheder. Senere beviste de det nøjagtige antal af tre nukleotider (dette er en enhed af genetisk kode), som blev kaldt en triplet eller kodon. Der er fireogtres nukleotider i alt, fordi syremolekylet, hvor RNA forekommer, består af fire forskellige nukleotidrester.
Hvad er genetisk kode
Metoden til at kode sekvensen af aminosyreproteiner på grund af sekvensen af nukleotider er karakteristisk for alle levende celler og organismer. Dette er, hvad den genetiske kode er.
Der er fire nukleotider i DNA:
- adenin - A;
- guanin - G;
- cytosin - C;
- thymin - T.
De er angivet med store latinske bogstaver eller (i russisksproget litteratur) russiske bogstaver.
RNA indeholder også fire nukleotider, men et af dem er forskelligt fra DNA:
- adenin - A;
- guanin - G;
- cytosin - C;
- uracil - U.
Alle nukleotider er arrangeret i kæder, hvor DNA har en dobbelt helix og RNA har en enkelt helix.
Proteiner er bygget på tyve aminosyrer, hvor de, placeret i en bestemt rækkefølge, bestemmer dets biologiske egenskaber.
Egenskaber af den genetiske kode
Trefoldighed. En enhed af genetisk kode består af tre bogstaver, det er triplet. Det betyder, at de tyve aminosyrer, der findes, kodes af tre specifikke nukleotider kaldet kodoner eller trilpetter. Der er fireogtres kombinationer, der kan skabes ud fra fire nukleotider. Denne mængde er mere end nok til at kode for tyve aminosyrer.
Degeneration. Hver aminosyre svarer til mere end én kodon, med undtagelse af methionin og tryptofan.
Entydighed. Ét kodon koder for én aminosyre. For eksempel i en rask persons gen med information om beta-målet for hæmoglobin, en triplet af GAG og GAA koder for A hos alle, der har seglcellesygdom, ændres ét nukleotid.
Kolinearitet. Rækkefølgen af aminosyrer svarer altid til sekvensen af nukleotider, som genet indeholder.
Den genetiske kode er kontinuerlig og kompakt, hvilket betyder, at den ikke har nogen tegnsætningstegn. Det vil sige, at der starter ved en bestemt kodon, at der sker kontinuerlig aflæsning. For eksempel vil AUGGGUGTSUUAAUGUG blive læst som: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Men ikke AUG, UGG og så videre eller noget andet.
Alsidighed. Det er det samme for absolut alle landlevende organismer, fra mennesker til fisk, svampe og bakterier.
Bord
Ikke alle tilgængelige aminosyrer er inkluderet i den præsenterede tabel. Hydroxyprolin, hydroxylysin, phosphoserin, jodderivater af tyrosin, cystin og nogle andre er fraværende, da de er derivater af andre aminosyrer kodet af m-RNA og dannet efter modifikation af proteiner som følge af translation.
Fra egenskaberne af den genetiske kode er det kendt, at en kodon er i stand til at kode for en aminosyre. Undtagelsen er den genetiske kode, som udfører yderligere funktioner og koder for valin og methionin. mRNA'et, der er i begyndelsen af kodonet, vedhæfter t-RNA, som bærer formylmethion. Efter afslutning af syntesen spaltes den fra og tager formylresten med sig og omdannes til en methioninrest. De ovennævnte kodoner er således initiatorerne for syntesen af polypeptidkæden. Hvis de ikke er i begyndelsen, så er de ikke anderledes end de andre.
Genetisk information
Dette koncept betyder et program af egenskaber, der er videregivet fra forfædre. Det er indlejret i arv som en genetisk kode.
Den genetiske kode realiseres under proteinsyntese:
- messenger-RNA;
- ribosomalt rRNA.
Information transmitteres gennem direkte kommunikation (DNA-RNA-protein) og omvendt kommunikation (medium-protein-DNA).
Organismer kan modtage, gemme, sende det og bruge det mest effektivt.
Videregivet ved arv bestemmer information udviklingen af en bestemt organisme. Men på grund af interaktion med miljøet er reaktionen af sidstnævnte forvrænget, på grund af hvilken evolution og udvikling sker. På den måde indføres ny information i kroppen.
Beregningen af molekylærbiologiens love og opdagelsen af den genetiske kode illustrerede behovet for at kombinere genetik med Darwins teori, på grundlag af hvilken en syntetisk evolutionsteori opstod - ikke-klassisk biologi.
Darwins arvelighed, variation og naturlige selektion suppleres af genetisk bestemt selektion. Evolution realiseres på det genetiske niveau gennem tilfældige mutationer og nedarvning af de mest værdifulde egenskaber, der er mest tilpasset miljøet.
Afkodning af den menneskelige kode
I halvfemserne blev Human Genome Project lanceret, hvilket resulterede i, at genomfragmenter indeholdende 99,99% af menneskelige gener blev opdaget i to tusindedele. Fragmenter, der ikke er involveret i proteinsyntese og ikke er kodet, forbliver ukendte. Deres rolle er endnu ukendt.
Sidst opdaget i 2006 er kromosom 1 det længste i genomet. Mere end tre hundrede og halvtreds sygdomme, herunder kræft, opstår som følge af lidelser og mutationer i det.
Rollen af sådanne undersøgelser kan ikke overvurderes. Da de opdagede, hvad den genetiske kode er, blev det kendt efter, hvilke mønstre udviklingen sker, hvordan den morfologiske struktur, psyke, disposition for visse sygdomme, stofskifte og defekter hos individer dannes.