Z tabeli 1. Można zauważyć, że ten sam aminokwas może być kodowany przez cztery rodziny kodonów. Na przykład czwarta rodzina CU koduje leucynę. Czwórka z rodziny GU koduje walinę, UC – serynę, CC – prolinę, AC – tryptofan, GC – alaninę, CG – argininę, GG – glicynę. Jest to fakt degeneracji leżący na powierzchni i od razu zauważalny, tj. redundancja informacyjna kodu. Jeśli dla kodu białkowego zapożyczymy pojęcia i terminy językoznawstwa, które od dawna są powszechnie i łatwo akceptowane, to degenerację kodu można rozumieć jako synonimię. To również zostało jednomyślnie przyjęte. Inaczej mówiąc, ten sam obiekt, np. aminokwas, ma kilka kodów – kodonów. Synonimia nie stwarza żadnego zagrożenia dla dokładności biosyntezy białek. Wręcz przeciwnie, taka redundancja jest dobra, ponieważ zwiększa niezawodność translacyjnej rybosomalnej „maszyny”.

Dodałem do tabeli niewielką zmianę kolorystyczną, aby było jasne, o czym mówimy. Synonimiczne czwórki są podświetlone na żółto. Takich czwórek jest w sumie 8. Czwórki homonimiczne należało podzielić na trzy kategorie, ze względu na stopień różnorodności. Dalej:

„... Jednak tabela 1 ukazuje także inne, fundamentalne zjawisko genolingwistyczne, pozornie niezauważane lub ignorowane. Zjawisko to objawia się tym, że w niektórych rodzinach kodonów cztery kodony, a dokładniej ich znaczące identyczne dwójki nukleotydów, szyfrują nie jeden, ale dwa różne aminokwasy, a także kodony stop. I tak rodzina dubletów UU koduje fenyloalaninę i leucynę, AU – izoleucynę i metioninę, UA – tyrozynę, kodony stop Och i Amb, CA – histydynę i glicynę, AA – asparaginę i lizynę, GA – asparaginowy i glutaminę, UG – cysteinę, tryptofan oraz kodon stop Umb, AG – seryna i arginina. Kontynuując analogie językowe, nazwijmy to zjawisko HOMONYMIĄ pierwszych dwóch nukleotydów kodujących w niektórych rodzinach kodonów.

W przeciwieństwie do synonimii, homonimia jest potencjalnie niebezpieczna, jak zauważył Lagerkvist, chociaż nie wprowadził pojęcia „homonimia” w odniesieniu do kodu białka. Wydaje się, że ta sytuacja powinna naprawdę prowadzić do niejednoznaczności w kodowaniu aminokwasów i sygnałów stopu: ten sam dublet kodonów, w obrębie niektórych rodzin zidentyfikowanych przez Lagerquista, koduje dwa różne aminokwasy lub jest „innym stopem”.

Zasadniczo ważne jest zrozumienie: jeśli synonimia kodu jest błogosławieństwem (nadmiar informacji), to homonimia jest potencjalnym złem (niepewność, niejednoznaczność informacji). Jest to jednak zło wyimaginowane, ponieważ aparat do syntezy białek z łatwością omija tę trudność, co zostanie omówione poniżej. Jeśli automatycznie podążasz za tabelą (modelem) kodu genetycznego, zło nie staje się wyimaginowane, ale rzeczywiste. I wtedy jest oczywiste, że wektor kodu homonimicznego prowadzi do błędów w syntezie białek, ponieważ aparat do syntezy białek rybosomalnych, za każdym razem napotykając ten lub inny homonimiczny dublet i kierując się zasadą odczytu „dwa z trzech”, musi wybrać jeden jedyny jeden aminokwas z dwóch różnych, ale kodowany przez niejednoznacznie identyczne dublety homonimiczne.

W związku z tym sparowane z nimi 3'-nukleotydy w kodonach i 5'-nukleotydy w antykodonach nie mają charakteru znaku genowego i pełnią rolę „kul sterycznych” wypełniających „puste przestrzenie” w parach kodon-antykodon. Krótko mówiąc, 5'-nukleotydy w antykodonach są losowe, „wobble” - od angielskiego „wobble” (huśtawka, oscylacja, wobble). To jest istota hipotezy Wobble’a.”

Istota jest wyrażona dość jasno. Nie wymaga tłumaczenia. Problem jest jasny.

Kodony stop i kodony start, w tabeli zaznaczono pogrubioną czcionką, też nie zawsze działają jednoznacznie, ale w zależności od czegoś..., jak uważają biolodzy, od kontekstu.

„Kontynuujmy analizę przełomowego dzieła Cricka i Nirenberga, które postuluje koncepcję kodu genetycznego.

P.142 -143: „...jak dotąd wszystkie dane eksperymentalne były w dobrej zgodzie z ogólnym założeniem, że informacja jest odczytywana w trójkach zasad, zaczynając od jednego końca genu. Jednakże otrzymalibyśmy te same wyniki, gdyby informację czytano w grupach po cztery lub więcej zasad” lub „…grupach zawierających wielokrotność trzech zasad”. Stanowisko to jest prawie zapomniane lub niezrozumiane, ale tutaj widać wątpliwość, czy kod jest koniecznie trójkowy. Co nie mniej ważne, przewiduje przyszłe rozumienie tekstów DNA i RNA jako semantycznych formacji fraktalnych podobnych do języków naturalnych, jak wykazano w naszych badaniach”.

Przy 4 różnych zasadach w systemie kodu DNA, grupy odczytujące mogą mieć tylko 3 lub 4 zasady. 4 zasady czytane parami dają tylko 16 możliwych kombinacji. Braki. Ale ile: 3 czy 4 zasady w grupie czytającej nie da się matematycznie ustalić. Ponieważ wszystkie możliwe kombinacje zostaną wykorzystane w ten czy inny sposób. Lub 64 dla trójki lub 256 dla tetrapletu.

Zwiększając obszar odczytu kodów o „grupy zawierające wielokrotność trzech baz”, liczba możliwych kombinacji kodów wzrośnie w nieograniczony sposób. Tylko co nam to daje? Jeśli skupisz się na kodowaniu aminokwasów, to... nic. I nie jest to w żaden sposób zgodne z dubletowym podejściem biologów.

Ale co najważniejsze, w tym cytacie po raz pierwszy, choć w domyśle, pojawiła się „strefa czytania” informacji, która nie odpowiada trójce. Trójka to jedno, ale strefa czytania to drugie. I jedno może nie pokrywać się z drugim. Bardzo ważna uwaga.

W rzeczywistości teoria wahań sugeruje, że tylko dwie pierwsze zasady są uważane za strefę odczytu kodonów. Te. w tym przypadku proponuje się uznanie, że obszar odczytu jest mniejszy niż obszar kodowania.

Rozważmy teraz podejście odwrotne:

„Niektóre mRNA zawierają sygnały zmieniające ramkę odczytu. Niektóre mRNA zawierają kodony stop w regionie podlegającym translacji, ale kodony te można skutecznie ominąć poprzez zmianę ramki odczytu przed nimi lub bezpośrednio na nich. Ramka może przesunąć się o -1, +1 i +2. W mRNA znajdują się specjalne sygnały, które zmieniają ramkę odczytu. Zatem przesunięcie ramki translacji o -1 na retrowirusowym RNA następuje w specyficznej sekwencji heptanukleotydowej przed strukturą spinki do włosów w mRNA (ryc. 5c). W przypadku przesunięcia ramki odczytu o +1 mRNA bakteryjnego czynnika terminacji RF-2, sekwencja nukleotydów w miejscu przesunięcia (kodon UGA), kolejny kodon i poprzednia sekwencja są komplementarne do 3-końcowej sekwencji rybosomalnego RNA (analogicznie do sekwencja Shine-Dalgarno) są ważne (ryc. 5, d)”.

Cytat został już podany wcześniej, ale teraz przyjrzyjmy się dokładniej jego treści. Co należy rozumieć pod pojęciem ramki odczytu? Koncepcja ta wywodzi się z dawnych czasów techniki komputerowej, kiedy obszar odczytu informacji z taśmy perforowanej lub karty dziurkowanej ograniczano nieprzezroczystą ramką, aby zmniejszyć ryzyko błędów podczas odczytywania informacji za pomocą strumienia świetlnego na fotodetektor przez otwory na karcie lub taśmie, zaznaczając linie wybite we właściwych miejscach. Zasada czytania dawno minęła, ale termin pozostał. Ponieważ koncepcja ramki odczytu jest jasna dla wszystkich biologów, najwyraźniej oznacza ona strefę odczytu tylko jednej podstawy z trójki. A przez „przesunięcie ramki odczytu” musimy rozumieć, że przy +1 odczytywana jest podstawa znajdująca się po ostatnim elemencie trójki, a -1, że odczytywana jest podstawa przed pierwszym elementem tej samej trójki. Która para zasad pozostaje podstawą czytanej trójki? Nie jest to określone...

Wydaje się jednak, że nie każdy rozumie ramkę odczytu, jak w tym przypadku. Jeśli pod pojęciem ramki odczytu rozumieć ramkę wyznaczającą 3 podstawy, to przy przesunięciu o +2 z trójki czytelnej pozostaje 1 element, a z trójki sąsiedniej dwa.

O jakiej więc ramce odczytu mówimy? No tak, ok, niech to na razie pozostanie niejasne...

Ale w każdym razie te zasady, już odczytane przez ramkę, zostaną odczytane ponownie, gdy ramka wróci na swoje miejsce i rybosom przejdzie do czytania kolejnej trójki... tylko co z nienakładającym się kodem?

W tym przypadku mechanistyczne podejście biologów do szacowania zmian pozycji odczytu tripletów nie uwzględnia rzeczywistej wielkości tego, o czym mówią. Terminologia jest wyraźnie myląca. Nie jest jasne, jak sami to później zrozumieją. Oczywiście żadna „ramka” nigdzie się nie porusza...

Wybór wymaganych pozycji w obszarze czytania przesuwa się. A jeśli dodamy wymienione powyżej maksymalne przesunięcia ramki odczytu do długości czytelnego kodonu, otrzymamy: 2+3+2 = 7. Zatem całkowita szerokość strefy odczytu rybosomu wynosi już 7 zasad. Rybosom wybiera triplet z 7 możliwych zasad. Jak? To kolejne pytanie...

Jednak dla nas ważniejsze jest coś innego. Teraz możemy naprawdę oszacować, że strefa odczytu informacji z RNA może być większa niż trójka i składać się z 7 lub więcej zasad, podczas gdy tylko trzy zasady są ustalone jako niezbędne pozycje odczytu. Jakie są inne stanowiska? Być może właśnie ten „kontekst” zmienia możliwości odczytania trójki. Homonemiczny, zgodnie z terminologią P.P. Garyaeva.

Jest to oczywiście tylko jeden z wielu szczególnych przypadków zrozumienia wieloaspektowego pojęcia kontekstu. Ale... przynajmniej pozwala coś zrozumieć bez uciekania się do wyższych filozoficznych uogólnień. Na bardzo realnym poziomie mechanistycznego zrozumienia.

O alfabecie tekstów komórkowych.

Pytanie jest oczywiście interesujące...

Biolodzy od dawna przyjęli rozumienie zasad DNA jako liter jakiegoś alfabetu komórkowego. Stąd pojawienie się pojęcia kontekstu semantycznego w ocenie kodowania tripletowego i poszukiwanie sensownego podejścia komórki do tego kodowania oraz stopniowe przejście do Wyższego Umysłu, który napisał tę Księgę Życia...

Dopiero teraz, przy dokładnym wskazaniu liter tego alfabetu, cały czas pojawiają się nieporozumienia. Jakie są litery? Zasady (A, T, C, G), złożone z nich kodony, czy aminokwasy w składzie białka uzyskanego podczas translacji?

Istnieją 4 zasady, 20 aminokwasów, 64 kodony, co powinniśmy wziąć za podstawę?

Wszyscy mówią o potrzebie językowej oceny sekwencji cząsteczek DNA, RNA i białek, niezależnie od tego, jak rozumieją litery alfabetu komórkowego. Biolodzy mają obowiązek traktować informację DNA jak tekst semantyczny, rozumiejąc kontekst mający zastosowanie do oceny literatury. Zakłada się zatem, że badany język posiada wszystkie cechy rozwiniętego języka literackiego i potrzebne jest odpowiednie podejście do oceny jego wielosemantycznej zawartości informacyjnej.

Wspaniały. A gdzie są litery? Jak napisano ten tekst literacki, który wymaga tak szczególnej uwagi ze strony lingwistów? Jak dotąd, w ramach tego samego podejścia mechanistycznego...

Zasady czy nukleotydy? Wygląda na to, że nie. Większość biologów się z tym zgadza. Cztery powody, dla których warto stworzyć tekst literacki, to za mało. Co więcej, w obecności ciągłości sekwencji w całym DNA.

W przypadku kodonu, jako litery tego alfabetu, trudności pojawiają się natychmiast. Gdzie on jest, ten kodon, na DNA i RNA, jak go znaleźć? Może to zrobić tylko rybosom i to tylko poprzez bezpośredni kontakt. A co to za litery złożone, trojaczki? Trudne do zrozumienia. Niemniej jednak takie rozumienie kodonów jako liter alfabetu komórkowego ma wielu zwolenników.

Pomyliłeś aminokwasy z literami alfabetu? Tak, większość się z tym zgadza. Ale wtedy białko, a nie DNA, stanie się Księgą Życia. W białku istnieje kontekst semantyczny, ale w DNA okazuje się, że może nie? Albo będzie, ale inaczej, inaczej niż białkowo...

Dlatego istnieje wymóg oceny zarówno DNA, jak i białka z punktu widzenia kontekstu semantycznego, ale nie ma wyjaśnienia, co i jak oceniać.

W tej sytuacji P.P. Garyaev zaproponował, w tym językowo, ocenę nie DNA i białka, ale ich holograficznych trójwymiarowych „portretów”. Trzeba przyznać, że bardzo mocna pozycja. I bardzo produktywnie...

Ale z alfabetem komórkowym, z mechanistycznym, już znanym podejściem, jest to całkowicie niezrozumiałe. Czy on istnieje, czy też w ogóle go nie ma i czy to pojęcie jest tylko alegorią?

Biolodzy nie udzielają wyjaśnień. Ale uparcie nadal stosują tę koncepcję. Każdy ma swoje rozumowanie...

O oryginalnym systemie kodowania.

Chodzi o pierwotną, która być może znajdowała się na etapie podziału komórek na prokarioty i eukarionty. Teraz jest to ukryte przez liczne nałożenia się i odchylenia w obu przypadkach. Miliony lat ewolucji nie minęły bez śladu.

Ale nadal…

DNA nie zawsze było repozytorium informacji; wcześniej tę rolę mogło pełnić RNA. Na pewnym etapie całkowicie zastępuje białko. Pokazują to liczne badania. A zasad DNA i RNA nie zawsze było 4, ale nie o tym teraz mówimy…

Ale na pewnym etapie rozwoju pojawił się system kodowania informacji, który następnie w pełni spełnił wszystkie wymagania dotyczące struktury informacyjnej i logicznej do kontrolowania procesów komórkowych.

Ten sam klasyk, na który wszyscy wskazują i od razu zaczynają obalać...

Tablica informacyjna – DNA, RNA. Sekwencja składająca się z kombinacji 4 nukleotydów: A,T(U),C,G.

Etap odczytywania informacji to 1 nukleotyd.

Sposób odczytywania informacji jest sekwencyjny.

Objętość pojedynczego odczytu jest potrójna.

Żaden system logiczny nie może liczyć. Ale potrafi policzyć do jednego. To jest już dużo dalej. I różnicuj różny jednostki w dwóch sąsiednich parach robią to samo. A jeśli oś symetrii jest rzeczywista, to jest w stanie całkiem określić stany logiczne sąsiednich pozycji względem takiej osi. Ale najwyraźniej na tym etapie dalsze zwiększanie obszaru czytania bez liczenia było bardzo trudne.

I dlatego na tym etapie - Trójka jest maksymalną możliwą formą jednostki informacyjnej systemu. Wyładowanie na osi symetrii, wyładowanie po prawej stronie i wyładowanie po lewej stronie.

Trzy różne jednostki rozliczeniowe...nawet przy czytaniu krok po kroku... to dużo.

System kodowania informacji DNA i RNA wykorzystuje 4 możliwe stany logiczne, odczyt trójkowy. Złożoność komórki jest ogromna.

Jak udowodnić, że kod jest trójkowy? Pokazywałem to już nie raz. Napiszmy to jeszcze raz: zasady – 4, aminokwasy – 20, kodony lub triplety – 64.

Matematyka jest prosta: 64/3 = 21

Tę liczbę nie zachodzących na siebie trójek można uzyskać w etapie utrwalania w jednej zasadzie. Jest to 20 trójek aminokwasów i jeden kodon STOP.

Natomiast: 4 3 = 64, to jest to samo 21x3 = 63, to jest 60 kombinacji trójek, 3 kodony stop i kodon start, zamykające zbiór wariacyjny. To tylko matematyka, ale... pokazuje, że początkowo faktycznie odczytano trzy zasady z rzędu - kodon z krokiem 1 zasady. To określiło liczbę zastosowanych aminokwasów - 20. Zatem nadal jest to triplet.

W tym przypadku degeneracja kodu aminokwasowego w trójce jest wyraźna. Powstało w wyniku nakładania się kodu.

Źle rozumiemy pojawienie się degeneracji kodonów. Nie jest to rozszerzenie możliwości systemu w zakresie kodowania informacji, ale „błędy jego przeszłości”. Jest to echo oryginalnego systemu kodowania...

Informacje na ten temat:

„P.153: „...jeden aminokwas jest szyfrowany przez kilka kodonów. Taki kod nazywamy zdegenerowanym... ten rodzaj degeneracji nie wskazuje na jakąkolwiek niepewność w budowie cząsteczki białka... oznacza jedynie, że określony aminokwas można skierować w odpowiednie miejsce w łańcuchu cząsteczki białka używając kilku słów kodowych.”

Oczywiście, aby zakodować dowolny aminokwas w zasadach DNA, wystarczy jedna trójka kodowa. Co więcej, z nienakładającym się kodowaniem. Powtarzaj jeden kodon tyle razy, ile chcesz, i uzyskaj tyle cząsteczek pożądanego aminokwasu w białku. Jest to łatwe, proste, zrozumiałe, a koszty energii są minimalne.

Zdegenerowanie kodu trójkowego jest środkiem niezbędnym, bezpośrednio związanym z pierwotną metodą odczytu kodu. Stało się to po prostu w trakcie ewolucji.

Mechanizm pojawienia się degeneracji kodu wygląda następująco:

Podczas czytania trójek w kroku o 1 zasadę zmienia się tylko jeden znak trójki w każdym kroku, a dwa znaki trójki pozostają stałe. Tylko ich pozycje zmieniają się synchronicznie. Przy dwóch krokach informacja tylko o jednym znaku trójki pozostaje niezmieniona, ale przechodzi sekwencyjnie przez wszystkie pozycje wyświetlacza.

Dlaczego tego potrzebujemy?

Przy 3 znakach kodowania, w każdym kroku powtarzane są 2 znaki. I tylko jedno się zmienia. W następnym kroku zmieni się także drugi znak. I jeden znak pozostanie niezmieniony wzdłuż przebytej ścieżki. Całkowita zmiana znaków nastąpi dopiero po trzecim kroku. Dopiero teraz nowa kombinacja trójek nie będzie miała wpływu na poprzednie kombinacje.

Przy trójkowym kroku każda nowa formacja trójki nie jest zależna od poprzedniej, ale... taki krok dla takiego systemu odczytu był wówczas niemożliwy.

A powstałe trojaczki DNA okazały się być od siebie zależne podczas czytania.

Takie płynne przejście jednej trójki w drugą prowadzi do ograniczenia możliwości szybkiego wykorzystania wszystkich permutacji w trójce. Aby możliwe było wykorzystanie wszystkich 64 wariantów tripletów, potrzebne są 64 * 3 = 192 pojedyncze kroki odczytu tripletów DNA. I odwrotnie, z 64 kroków odczytywania możliwych kombinacji, przy sekwencyjnym odczytywaniu krok po kroku wszystkich kodonów, od pierwszego do 64-tego, będą 42 powtórzenia i nie będzie więcej niż 1/3 = 21 kombinacji unikalny. I jeszcze 1/3….

To jest odpowiedź dlaczego aminokwasów jest tylko 20. Mogłoby być więcej, ale system kodowania i odczytywania informacji na to nie pozwala.

Komórka zaczęła więc wykorzystywać dodatkowe kody z istniejących 42 powtórzeń. Nie mogła tego zrobić inaczej, bo luki w przekazie są niedopuszczalne. Istnieje kod - dowolny, a rybosom musi wykonać operację translacji. Warianty przejściowe z jednego niezależnego kodu tripletowego na inny szybko zaczęły zajmować się tymi samymi 20 aminokwasami, ale w zależności od częstotliwości użycia. Dla jednego jest 6 kodów, a dla drugiego wystarczy. Rejestrujemy to jako degenerację kodu.

Oczywiste jest, że przy użyciu kodonów zależnych baza transportowych tRNA powinna również się rozszerzać. I tak się stało. W systemie na pełną skalę liczba kodonów w mRNA musi odpowiadać liczbie antykodonów w tRNA. Zatem duża liczba tRNA wskazuje jedynie, że system został pierwotnie utworzony w ten sposób.

Jak widać początkowy lub początkowy system kodowania na etapie pojawienia się 4 nukleotydów w DNA jest wyraźnie widoczny. Następnie nadeszły warstwy późniejszych procesów ewolucyjnych. A dzisiaj mamy... to, co mamy.

Początkowe podstawowe kody aminokwasów.

Z drugiej strony, jeśli pójdziesz tą drogą, to z 64 możliwych możesz wybrać około 21 kombinacji i zastosować je jako główne. Ale które?

Jak komórka może dokonać wyboru? Najprostsza odpowiedź opiera się na maksymalnej symetrii trójki.

Zastosujmy zasadę symetrii w poszukiwaniu niezbędnych kombinacji i sprawdźmy, jak poprawnie rozumiemy sposób naturalnego kodowania aminokwasów w DNA. Aby to zrobić, zbierzmy wszystkie warianty kodów symetrycznych w Tabeli 2. Doskonały wynik..., 15 z 16 możliwych aminokwasów otrzymało kody symetryczne.

Ale pozostało jeszcze 5 aminokwasów i STOP.

Najwyraźniej Natura poszła tą samą ścieżką... i potknęła się w tym samym miejscu. Wykorzystano wszystkie opcje symetryczne, nie ma miejsca na rozbudowę systemu i nie ma wystarczającej liczby kodów. Jakiej kolejnej opcji użyła, aby kontynuować wyszukiwanie kodów?

Teraz powtórki i jeden dodatkowy element...

Jeść. CAA, AAC, UGG, a oto główny kodon Stop - UAA.

Pozostały jeszcze dwa kodony do znalezienia...

GAC i sierpień. Ten ostatni stał się kodonem Start...

Całkowita liczba głównych kombinacji stosowanych w DNA i RNA wyniosła 21. Tabela 2 przedstawia ścieżkę poszukiwań głównych oznaczeń kodowych.

Ale i tutaj ewolucyjna logika rozwoju stanowi interesujący przykład. Tylko pełne symetrie są wykorzystywane do końca i natychmiast. Pozostałe opcje nie zostały wykorzystane od razu i nie w całości. Przykładowo dla aminokwasu Gly wykorzystano główny kodon GGG, a następnie dodano GGU z niewykorzystanej rezerwy…

Utworzone rezerwy kodujące działały do ​​ostatniej chwili. Dziś wszystkie rezerwy już dawno się wyczerpały i przyszedł czas na łączenie funkcji tam, gdzie to możliwe. Na przykład dla kodonu Start. Rozpoczęto poszukiwania nowych sposobów rozszerzenia możliwości kodowania tripletowego. aminokwasy w RNA. Tak zapewne przebiegał wybór głównych kodów. Przez symetrię i najprostsze permutacje...

Tabela 2

Logika działania jest jasna. Być może popełniliśmy błąd w sekwencji działań, ale na razie nie jest to tak ważne. To oczywiście tylko moje wariacje na temat; profesjonaliści pewnie wiedzą lepiej, czy tak było naprawdę, czy nie, ale mimo to... wyszło ciekawie.

Końce się nie spotykają...

Dziwne,... kody symetryczne można stosować tylko z odczytem trójkowym, bez nakładania się. Ten punkt zmusza nas do ponownego spojrzenia na powyższą matematykę dotyczącą otrzymywania 20 aminokwasów do wykorzystania w kodowaniu tripletowym. Jasne, że jedno nie odpowiada drugiemu.

Matematyka pokazuje obiektywną rzeczywistość ruchu rybosomu element po elemencie wzdłuż RNA. Ale tak powszechne stosowanie symetrii w kodowaniu aminokwasów również nie może być przypadkowe i wskazuje na trójki niezależnego odczytu.

Jest możliwe, że odczyt informacji RNA element po elemencie istniał przed kodowaniem tripletów i przez pewien czas wraz z pojawieniem się trojaczków. Określała ilość zastosowanych aminokwasów.

Ale w pewnym momencie nastąpił skok w rozwoju. System kodowania został całkowicie zmieniony. Niezależny odczyt tripletów zmusił nas do ponownego kodowania użytych aminokwasów w oparciu o symetrię. Ale ewolucja nie wie, jak odrzucić stare opcje...

Istnieją już dodatkowe kody; musieliśmy je rozdzielić między aminokwasy w zależności od częstotliwości ich użycia.

I wyłonił się paradoksalny obraz. Odczyt wydaje się nie pokrywać i jeden kodon wystarczy do zakodowania aminokwasu, ale wykorzystano wszystkie 64 warianty. Potencjalną redundancję kodowania pokrywa degeneracja kodów. Istnieje rezerwa obliczona, ale w rzeczywistości jej nie ma. Widzieliśmy już, jak do tego doszło.

Najprawdopodobniej szybki rozwój rybosomów komórkowych był czynnikiem rewizji systemu. Ostatecznie determinują cały system kodowania i jego zastosowanie w organizmie komórkowym.

Można założyć, że strefa odczytu informacji rybosomu już dawno przekroczyła trzycyfrowe i znacznie przekroczyła te granice. Stało się możliwe wybranie i zapamiętanie informacji o pożądanym kodonie w dużym obszarze odczytu informacji. Umożliwiło to opuszczanie rybosomu krok po kroku, ale zrealizowano także możliwość odczytu tripletów w trybie niezależnym. Rybosom gdzieś nabył pamięć RAM.

Jak widzimy, strefa odczytu informacji dla rybosomu, nawet u prokariotów, osiągnęła 7 nukleotydów. A to nie jest limit. Jeśli przyjmiemy, że rybosomy mają dwa centra translacji lub odczytu informacji, wówczas ich całkowity obszar odczytu informacji przez jeden rybosom osiągnął już 14 nukleotydów. Niektóre sekcje kodów traktowane są jako trójki, a reszta stanowi kontekst...

I teraz…

A teraz wszystko jest całkowicie pomieszane. Według biologów liczenie odbywa się w trojaczkach, chociaż nikt nie wyjaśnia, jak to się dzieje. Bezpośredni kontekst nie jest brany pod uwagę. Porównanie sekwencji kodu RNA i otrzymanego z niej białka jest zadaniem bardzo trudnym i najwyraźniej nie da się jednoznacznie zrozumieć, jak zmienił się system i co jest brane pod uwagę podczas translacji.

Co więcej, biolodzy nie skupiają się na systematyzacji, ale na znajdowaniu odstępstw od systemu, zwiększając w ten sposób i tak już ogromną różnorodność faktów i tworząc dla siebie zagadkowy, nierozwiązany problem. Zamieszanie uzupełnia całkowite pomieszanie różnych odchyleń w mechanizmach odczytywania trojaczków prokariotów i eukariontów w jedną wielką krzyżówkę... gdzie oni sami wydają się być zdezorientowani.

Dlaczego? Mają różne zadania. Pracują z obiektami biologicznymi, jak to jest w zwyczaju w ich nauce. Dlatego też wnioski dotyczące zagadnień kodowania RNA znalazły odzwierciedlenie w teorii „swingu”, a nie w systemie zasad odczytywania i kodowania informacji. Można je zrozumieć, ale trzeba znaleźć wyjście...

Technokratyczne podejście do problemu zrozumienia kodowania DNA, zaproponowane przez samych biologów, nie wyczerpało jeszcze swoich możliwości. Tak naprawdę nie był jeszcze używany. Zastosowano jedynie terminologię, ale nie podejście.

Być może nadszedł czas, aby zastosować analizę maszynową sekwencji DNA, biorąc pod uwagę rozszerzony obszar odczytu informacji w odniesieniu do tripletu kodującego. Wtedy jasny stanie się mechanizm działania kontekstu kodującego najbliższego odczytowi trypletu i być może także elementy programowania procesu translacji białka, zapamiętywane przez rybosom. Taka analiza jest szczególnie ważna przy badaniu nieulegających translacji regionów RNA i DNA. Ponieważ jest już jasne, że są to elementy oprogramowania systemu kodowania. Od nich zależą wszystkie procesy, łącznie z translacją białek. Nazwa „śmieci” najwyraźniej zupełnie do nich nie pasuje…

W szeregu strategicznie ważnych informacji przechowywanych w DNA nie mogą znajdować się „śmieci”. Żaden system informatyczny nie może sobie na to pozwolić.

Obecny poziom rozwoju technologii komputerowej umożliwia rozwiązanie tych problemów. Zbuduj system zarządzania informacją w strukturze komórkowej, wyjaśnij kanały komunikacji, ustal kluczowe elementy sterujące i system sygnałowy. Wtedy przynajmniej przybliżony poziom złożoności technicznej tego układu sterowania będzie jasny. Na razie jasne jest tylko, że rybosom odgrywa w tym kluczową rolę, ale jak skomplikowany technicznie jest ten uniwersalny automat komórkowy? Jak na tle tej komórki wygląda techniczna złożoność pozostałych mechanizmów wykonawczych komórki?

Nie znalazłem jeszcze żadnej odpowiedzi...

Literatura:

1. Gariajew P.P. Tertyshny G.G. Leonova EA Mologin A.V. Funkcje biokomputera falowego DNA. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157645&s
2. Nikitin A.V., Odczytywanie i przetwarzanie informacji DNA // „Akademia Trynitaryzmu”, M., El nr 77-6567, pub.16147, 08.11.2010

Nikitin A.V., Problemy zrozumienia systemu kodowania DNA // „Akademia Trynitaryzmu”, M., El nr 77-6567, pub.16181, 27.11.2010

Kod genetyczny, zwany także kodem aminokwasowym, to system zapisu informacji o sekwencji aminokwasów w białku wykorzystujący sekwencję reszt nukleotydowych w DNA, które zawierają jedną z 4 zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G ), cytozyna (C) i tymina (T). Ponieważ jednak dwuniciowa helisa DNA nie bierze bezpośrednio udziału w syntezie białka kodowanego przez jedną z tych nici (tj. RNA), kod jest napisany w języku RNA, który zamiast tego zawiera uracyl (U). tyminy. Z tego samego powodu zwyczajowo mówi się, że kod jest sekwencją nukleotydów, a nie parami nukleotydów.

Kod genetyczny jest reprezentowany przez pewne słowa kodowe, zwane kodonami.

Pierwsze słowo kodowe rozszyfrowali Nirenberg i Mattei w 1961 roku. Otrzymali oni ekstrakt z E. coli zawierający rybosomy i inne czynniki niezbędne do syntezy białek. W rezultacie powstał bezkomórkowy system syntezy białek, który umożliwia składanie białek z aminokwasów, jeśli do pożywki zostanie dodany niezbędny mRNA. Dodając do pożywki syntetyczny RNA składający się wyłącznie z uracyli, odkryli, że powstało białko składające się wyłącznie z fenyloalaniny (polifenyloalaniny). W ten sposób ustalono, że triplet nukleotydów UUU (kodon) odpowiada fenyloalaninie. W ciągu kolejnych 5-6 lat oznaczono wszystkie kodony kodu genetycznego.

Kod genetyczny jest rodzajem słownika, który tłumaczy tekst zapisany za pomocą czterech nukleotydów na tekst białkowy zapisany za pomocą 20 aminokwasów. Pozostałe aminokwasy występujące w białku to modyfikacje jednego z 20 aminokwasów.

Właściwości kodu genetycznego

Kod genetyczny ma następujące właściwości.

1. Potrójny- Każdy aminokwas odpowiada potrójnej nukleotydzie. Łatwo obliczyć, że jest 4 3 = 64 kodonów. Spośród nich 61 ma charakter semantyczny, a 3 to nonsens (terminacja, kodony stop).
2. Ciągłość(brak znaków oddzielających nukleotydy) - brak wewnątrzgenowych znaków interpunkcyjnych;

   W genie każdy nukleotyd jest częścią znaczącego kodonu. W 1961 r Seymour Benzer i Francis Crick eksperymentalnie udowodnili trójdzielną naturę kodu i jego ciągłość (zwartość) [pokazywać]

   

   Istota doświadczenia: Mutacja „+” - insercja jednego nukleotydu. Mutacja „-” – utrata jednego nukleotydu.

   Pojedyncza mutacja („+” lub „-”) na początku genu lub podwójna mutacja („+” lub „-”) psują cały gen.

   Potrójna mutacja („+” lub „-”) na początku genu psuje tylko część genu.

   Poczwórna mutacja „+” lub „-” ponownie psuje cały gen.

   Eksperyment przeprowadzono na dwóch sąsiadujących genach faga i wykazał to

   1. kod jest trójkowy i wewnątrz genu nie ma znaków interpunkcyjnych
   2. pomiędzy genami znajdują się znaki interpunkcyjne
3. Obecność międzygenowych znaków interpunkcyjnych- obecność wśród trójek kodonów inicjujących (rozpoczynają biosyntezę białek) i kodonów terminatorowych (wskazujących koniec biosyntezy białek);

   Konwencjonalnie kodon AUG, pierwszy po sekwencji liderowej, również należy do znaków interpunkcyjnych. Pełni funkcję dużej litery. W tej pozycji koduje formylometioninę (u prokariotów).

   Na końcu każdego genu kodującego polipeptyd znajduje się co najmniej jeden z 3 kodonów stop, czyli sygnałów stop: UAA, UAG, UGA. Zakończyli transmisję.

4. Współliniowość- zgodność liniowej sekwencji kodonów mRNA i aminokwasów w białku.
5. Specyficzność- każdy aminokwas odpowiada tylko pewnym kodonom, których nie można zastosować dla innego aminokwasu.
6. Jednokierunkowość- kodony odczytywane są w jednym kierunku - od pierwszego nukleotydu do kolejnych
7. Degeneracja lub redundancja, - jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek (aminokwasów - 20, możliwych trójek - 64, 61 z nich ma charakter semantyczny, tj. średnio każdy aminokwas odpowiada około 3 kodonom); wyjątkami są metionina (Met) i tryptofan (Trp).

   Przyczyną degeneracji kodu jest to, że główny ładunek semantyczny przenoszony jest przez pierwsze dwa nukleotydy w trójce, a trzeci nie jest już tak ważny. Stąd reguła degeneracji kodu : Jeśli dwa kodony mają te same pierwsze dwa nukleotydy, a ich trzeci nukleotyd należy do tej samej klasy (puryny lub pirymidyny), wówczas kodują ten sam aminokwas.

   Istnieją jednak dwa wyjątki od tej idealnej reguły. Jest to kodon AUA, który powinien odpowiadać nie izoleucynie, ale metioninie, oraz kodon UGA, który jest kodonem stop, natomiast powinien odpowiadać tryptofanowi. Degeneracja kodu ma oczywiście znaczenie adaptacyjne.

8. Wszechstronność- wszystkie powyższe właściwości kodu genetycznego są charakterystyczne dla wszystkich organizmów żywych.

   Kodon	Kod uniwersalny	Kody mitochondrialne
   		Kręgowce	Bezkręgowce	Drożdże	Rośliny
   UGA	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Trp	Trp	Trp	ZATRZYMYWAĆ SIĘ
   AUA	Ile	Spotkał	Spotkał	Spotkał	Ile
   CUA	Leja	Leja	Leja	Thr	Leja
   AGA.	Argument	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Ser	Argument	Argument
   AGG	Argument	ZATRZYMYWAĆ SIĘ	Ser	Argument	Argument

   Ostatnio zasada uniwersalności kodu została zachwiana w związku z odkryciem przez Berrella w 1979 roku idealnego kodu ludzkich mitochondriów, w którym spełniona jest zasada degeneracji kodu. W kodzie mitochondrialnym kodon UGA odpowiada tryptofanowi, a AUA metioninie, zgodnie z wymogami reguły degeneracji kodu.

   Być może na początku ewolucji wszystkie proste organizmy miały ten sam kod co mitochondria, a potem ulegał on niewielkim odchyleniom.

9. Nie nakładające się- każda z trójek tekstu genetycznego jest od siebie niezależna, jeden nukleotyd zawarty jest tylko w jednej trójce; Na ryc. pokazuje różnicę między nakładającym się i nienakładającym się kodem.

   W 1976 r Zsekwencjonowano DNA faga φX174. Ma jednoniciowy kolisty DNA składający się z 5375 nukleotydów. Wiadomo było, że fag koduje 9 białek. W przypadku 6 z nich zidentyfikowano geny położone jeden za drugim.

   Okazało się, że zachodzi nakładanie się. Gen E jest zlokalizowany w całości w obrębie genu D. Jego kodon start pojawia się w wyniku przesunięcia ramki odczytu o jeden nukleotyd. Gen J zaczyna się tam, gdzie kończy się gen D. Kodon start genu J pokrywa się z kodonem stop genu D w wyniku przesunięcia o dwa nukleotydy. Konstrukcja nazywana jest „przesunięciem ramki odczytu” w przypadku liczby nukleotydów, a nie wielokrotności trzech. Do tej pory nakładanie się pokazano tylko w przypadku kilku fagów.

10. Odporność na hałas- stosunek liczby podstawień konserwatywnych do liczby podstawień radykalnych.

    Mutacje podstawienia nukleotydowego, które nie prowadzą do zmiany klasy kodowanego aminokwasu, nazywane są konserwatywnymi. Mutacje podstawienia nukleotydowego, które prowadzą do zmiany klasy kodowanego aminokwasu, nazywane są rodnikowymi.

    Ponieważ ten sam aminokwas może być kodowany przez różne triplety, niektóre podstawienia w tripletach nie prowadzą do zmiany w kodowanym aminokwasie (na przykład UUU -> UUC pozostawia fenyloalaninę). Niektóre podstawienia zmieniają aminokwas na inny z tej samej klasy (niepolarny, polarny, zasadowy, kwasowy), inne podstawienia również zmieniają klasę aminokwasu.

    W każdej trójce można dokonać 9 pojedynczych podstawień, tj. Istnieją trzy sposoby wyboru pozycji do zmiany (1., 2. lub 3.), a wybraną literę (nukleotyd) można zmienić na 4-1=3 inne litery (nukleotyd). Całkowita liczba możliwych podstawień nukleotydów wynosi 61 na 9 = 549.

    Poprzez bezpośrednie obliczenia z wykorzystaniem tabeli kodów genetycznych można sprawdzić, czy z poniższych: 23 podstawienia nukleotydowe prowadzą do pojawienia się kodonów – terminatorów translacji. 134 podstawienia nie zmieniają kodowanego aminokwasu. 230 podstawień nie zmienia klasy kodowanego aminokwasu. 162 podstawienia prowadzą do zmiany klasy aminokwasów, tj. są radykalne. Spośród 183 podstawień trzeciego nukleotydu 7 prowadzi do pojawienia się terminatorów translacji, a 176 jest konserwatywnych. Spośród 183 podstawień pierwszego nukleotydu 9 prowadzi do pojawienia się terminatorów, 114 jest konserwatywnych, a 60 jest radykalnych. Spośród 183 podstawień drugiego nukleotydu 7 prowadzi do pojawienia się terminatorów, 74 jest konserwatywnych, a 102 jest radykalnych.

W metabolizmie organizmu Wiodącą rolę należy do białek i kwasów nukleinowych.
Substancje białkowe stanowią podstawę wszystkich ważnych struktur komórkowych, mają niezwykle wysoką reaktywność i są wyposażone w funkcje katalityczne.
Kwasy nukleinowe wchodzą w skład najważniejszego narządu komórki - jądra, a także cytoplazmy, rybosomów, mitochondriów itp. Kwasy nukleinowe odgrywają ważną, podstawową rolę w dziedziczności, zmienności organizmu i syntezie białek.

Plan synteza białko magazynowane jest w jądrze komórkowym, a bezpośrednia synteza zachodzi poza jądrem, więc jest konieczna Dostawa zakodowane plan z jądra do miejsca syntezy. Ta usługa dostarczania jest wykonywana przez cząsteczki RNA.

Proces rozpoczyna się o godz rdzeń komórki: część „drabiny” DNA rozwija się i otwiera. Dzięki temu litery RNA tworzą wiązania z otwartymi literami DNA jednej z nici DNA. Enzym przenosi litery RNA, aby połączyć je w nić. W ten sposób litery DNA są „przepisywane” na litery RNA. Nowo utworzony łańcuch RNA zostaje rozdzielony, a „drabina” DNA ponownie się skręca. Nazywa się proces odczytywania informacji z DNA i syntezy jej przy użyciu jego macierzy RNA transkrypcja , a zsyntetyzowany RNA nazywany jest przekaźnikiem lub mRNA .

Po dalszych modyfikacjach ten typ kodowanego mRNA jest gotowy. mRNA wychodzi z jądra i trafia do miejsca syntezy białka, gdzie rozszyfrowane są litery mRNA. Każdy zestaw trzech liter i-RNA tworzy „literę”, która reprezentuje jeden konkretny aminokwas.

Inny rodzaj RNA znajduje ten aminokwas, wychwytuje go za pomocą enzymu i dostarcza do miejsca syntezy białka. Ten RNA nazywany jest transferowym RNA lub t-RNA. W miarę odczytywania i translacji wiadomości mRNA łańcuch aminokwasów rośnie. Łańcuch ten skręca się i składa w unikalny kształt, tworząc jeden rodzaj białka. Nawet proces zwijania białek jest niezwykły: do obliczenia wszystkiego potrzebny jest komputer opcje złożenie białka średniej wielkości składającego się ze 100 aminokwasów zajęłoby 1027 (!) lat. Utworzenie w organizmie łańcucha 20 aminokwasów zajmuje nie więcej niż jedną sekundę, a proces ten zachodzi w sposób ciągły we wszystkich komórkach organizmu.

Geny, kod genetyczny i jego właściwości.

Na Ziemi żyje około 7 miliardów ludzi. Oprócz 25-30 milionów par identycznych bliźniaków, genetycznie wszyscy ludzie są inni : każdy jest wyjątkowy, ma unikalne cechy dziedziczne, cechy charakteru, zdolności i temperament.

Różnice te zostały wyjaśnione różnice w genotypach- zestawy genów organizmu; Każdy jest wyjątkowy. Ucieleśnione są cechy genetyczne konkretnego organizmu w białkach - dlatego struktura białka jednej osoby różni się, choć bardzo nieznacznie, od białka innej osoby.

To nie znaczyże nie ma dwóch osób o dokładnie takich samych białkach. Białka spełniające te same funkcje mogą być takie same lub różnić się od siebie tylko nieznacznie jednym lub dwoma aminokwasami. Ale nie istnieje na Ziemi ludzi (z wyjątkiem bliźniaków jednojajowych), którzy mieliby wszystkie swoje białka są takie same .

Informacje o strukturze pierwotnej białka kodowany jako sekwencja nukleotydów w odcinku cząsteczki DNA, gen – jednostka informacji dziedzicznej organizmu. Każda cząsteczka DNA zawiera wiele genów. Stanowi ją ogół wszystkich genów organizmu genotyp . Zatem,

Gen to jednostka dziedzicznej informacji organizmu, która odpowiada oddzielnej części DNA

Kodowanie informacji dziedzicznych odbywa się za pomocą kod genetyczny , który jest uniwersalny dla wszystkich organizmów i różni się jedynie naprzemiennością nukleotydów tworzących geny i kodujących białka określonych organizmów.

Kod genetyczny składa się z tripletów (tripletów) nukleotydów DNA, połączonych w różne sekwencje (AAT, HCA, ACG, THC itp.), z których każda koduje konkretny aminokwas (który zostanie wbudowany w łańcuch polipeptydowy).

Faktycznie kod liczy sekwencja nukleotydów w cząsteczce mRNA , ponieważ usuwa informację z DNA (proces transkrypcje ) i przekłada go na sekwencję aminokwasów w cząsteczkach syntetyzowanych białek (proces transmisje ).
Skład mRNA obejmuje nukleotydy A-C-G-U, których trójki nazywane są kodony : triplet na DNA CGT na i-RNA stanie się tripletem GCA, a triplet DNA AAG stanie się tripletem UUC. Dokładnie kodony mRNA kod genetyczny znajduje odzwierciedlenie w zapisie.

Zatem, kod genetyczny - ujednolicony system zapisu informacji dziedzicznej w cząsteczkach kwasu nukleinowego w postaci sekwencji nukleotydów . Kod genetyczny opiera się na zastosowaniu alfabetu składającego się jedynie z czterech liter-nukleotydów, wyróżnionych zasadami azotowymi: A, T, G, C.

Podstawowe właściwości kodu genetycznego:

1. Kod genetyczny tryplet. Triplet (kodon) to sekwencja trzech nukleotydów kodujących jeden aminokwas. Ponieważ białka zawierają 20 aminokwasów, oczywiste jest, że każdy z nich nie może być kodowany przez jeden nukleotyd ( Ponieważ w DNA są tylko cztery rodzaje nukleotydów, w tym przypadku 16 aminokwasów pozostaje niekodowanych). Dwa nukleotydy również nie wystarczą do kodowania aminokwasów, ponieważ w tym przypadku można zakodować tylko 16 aminokwasów. Oznacza to, że najmniejsza liczba nukleotydów kodujących jeden aminokwas musi wynosić co najmniej trzy. W tym przypadku liczba możliwych trójek nukleotydów wynosi 43 = 64.

2. Redundancja (degeneracja) Kod jest konsekwencją jego trypletowego charakteru i oznacza, że ​​jeden aminokwas może być kodowany przez kilka trójek (ponieważ jest 20 aminokwasów i 64 trójki), z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, które są kodowane tylko przez jedną trójkę. Ponadto niektóre triplety pełnią określone funkcje: w cząsteczce mRNA triplety UAA, UAG, UGA są kodonami stop, tj. zatrzymywać się-sygnały zatrzymujące syntezę łańcucha polipeptydowego. Triplet odpowiadający metioninie (AUG), znajdujący się na początku łańcucha DNA, nie koduje aminokwasu, ale pełni funkcję inicjującą (ekscytującą) lekturę.

3. Jednoznaczność kod - jednocześnie z redundancją kod ma właściwość jednoznaczność : tylko każdy kodon pasuje jeden określony aminokwas.

4. Współliniowość kod, tj. sekwencja nukleotydów w genie Dokładnie odpowiada sekwencji aminokwasów w białku.

5. Kod genetyczny niezachodzące na siebie i zwarte , tj. nie zawiera „znaków interpunkcyjnych”. Oznacza to, że proces odczytu nie dopuszcza możliwości nakładania się kolumn (tripletów) i począwszy od określonego kodonu, odczyt przebiega w sposób ciągły, triplet po triplecie, aż do zatrzymywać się-sygnały ( kodony stop).

6. Kod genetyczny uniwersalny , tj. geny jądrowe wszystkich organizmów kodują informację o białkach w ten sam sposób, niezależnie od poziomu organizacji i systematycznej pozycji tych organizmów.

Istnieć tablice kodu genetycznego do odszyfrowania kodony mRNA i budowa łańcuchów cząsteczek białek.

Reakcje syntezy macierzy.

Reakcje nieznane w przyrodzie nieożywionej zachodzą w układach żywych - reakcje syntezy matrycy.

Termin „matryca” w technologii oznaczają formę służącą do odlewania monet, medali i czcionek typograficznych: hartowany metal dokładnie odwzorowuje wszystkie szczegóły formy używanej do odlewania. Synteza macierzy przypomina odlewanie na matrycy: nowe cząsteczki syntetyzowane są dokładnie według planu zapisanego w strukturze istniejących cząsteczek.

Zasada matrycy kłamie u źródła najważniejsze reakcje syntetyczne komórki, takie jak synteza kwasów nukleinowych i białek. Reakcje te zapewniają dokładną, ściśle określoną sekwencję jednostek monomeru w syntetyzowanych polimerach.

Tu mają miejsce działania kierunkowe. ciągnięcie monomerów w określone miejsce komórki - na cząsteczki, które służą jako matryca, w której zachodzi reakcja. Gdyby takie reakcje zachodziły w wyniku przypadkowych zderzeń cząsteczek, przebiegałyby nieskończenie wolno. Synteza złożonych cząsteczek w oparciu o zasadę matrycy odbywa się szybko i dokładnie. Rola matrycy makrocząsteczki kwasów nukleinowych biorą udział w reakcjach matrixu DNA lub RNA .

Cząsteczki monomeryczne z których syntetyzowany jest polimer – nukleotydy lub aminokwasy – zgodnie z zasadą komplementarności, są umiejscowione i utrwalone na matrycy w ściśle określonej, określonej kolejności.

Wtedy to się dzieje „sieciowanie” jednostek monomeru w łańcuch polimeru i gotowy polimer wyładowuje się z matrycy.

Po tym matryca jest gotowa do złożenia nowej cząsteczki polimeru. Jasne jest, że tak jak na daną formę można odlać tylko jedną monetę lub jedną literę, tak na daną cząsteczkę matrycy można „złożyć” tylko jeden polimer.

Typ reakcji matrycy- specyficzna cecha chemii układów żywych. Stanowią podstawę podstawowej właściwości wszystkich żywych istot - ich zdolności do reprodukcji własnego rodzaju.

Reakcje syntezy szablonów

1. replikacja DNA - replikacja (z łac. replikacja - odnowienie) - proces syntezy cząsteczki potomnej kwasu deoksyrybonukleinowego na matrixie cząsteczki macierzystego DNA. Podczas kolejnego podziału komórki macierzystej każda komórka potomna otrzymuje jedną kopię cząsteczki DNA, która jest identyczna z DNA pierwotnej komórki macierzystej. Proces ten zapewnia dokładne przekazywanie informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie. Replikacja DNA odbywa się za pomocą złożonego kompleksu enzymatycznego składającego się z 15-20 różnych białek, tzw miły . Materiałem do syntezy są wolne nukleotydy obecne w cytoplazmie komórek. Biologiczne znaczenie replikacji polega na dokładnym przekazaniu informacji dziedzicznej z cząsteczki macierzystej do cząsteczki potomnej, co zwykle zachodzi podczas podziału komórek somatycznych.

Cząsteczka DNA składa się z dwóch komplementarnych nici. Łańcuchy te są utrzymywane razem przez słabe wiązania wodorowe, które mogą zostać rozerwane przez enzymy. Cząsteczka DNA jest zdolna do samoduplikacji (replikacji), a na każdej starej połowie cząsteczki syntetyzowana jest nowa połowa.
Ponadto cząsteczkę mRNA można zsyntetyzować na cząsteczce DNA, która następnie przekazuje informację otrzymaną z DNA do miejsca syntezy białka.

Przekazywanie informacji i synteza białek przebiegają według zasady matrycy, porównywalnej do pracy prasy drukarskiej w drukarni. Informacje z DNA są kopiowane wielokrotnie. Jeśli podczas kopiowania wystąpią błędy, będą one powtarzane we wszystkich kolejnych kopiach.

To prawda, że ​​​​niektóre błędy podczas kopiowania informacji za pomocą cząsteczki DNA można poprawić - nazywa się to procesem eliminacji błędów naprawa. Pierwszą z reakcji w procesie przekazywania informacji jest replikacja cząsteczki DNA i synteza nowych łańcuchów DNA.

2. Transkrypcja (z łac. transkrypcja – przepisywanie) – proces syntezy RNA z wykorzystaniem DNA jako matrycy, zachodzący we wszystkich żywych komórkach. Inaczej mówiąc, jest to transfer informacji genetycznej z DNA na RNA.

Transkrypcja jest katalizowana przez enzym polimerazę RNA zależną od DNA. Polimeraza RNA porusza się wzdłuż cząsteczki DNA w kierunku 3” → 5”. Transkrypcja składa się z etapów inicjacja, elongacja i terminacja . Jednostką transkrypcji jest operon, fragment cząsteczki DNA składający się z promotor, część transkrybowana i terminator . mRNA składa się z pojedynczego łańcucha i jest syntetyzowany na DNA zgodnie z zasadą komplementarności przy udziale enzymu, który aktywuje początek i koniec syntezy cząsteczki mRNA.

Gotowa cząsteczka mRNA przedostaje się do cytoplazmy na rybosomy, gdzie następuje synteza łańcuchów polipeptydowych.

3. Audycja (z łac. tłumaczenie- transfer, ruch) - proces syntezy białek z aminokwasów na matrycy informacyjnego (posłańca) RNA (mRNA, mRNA), prowadzony przez rybosom. Inaczej mówiąc, jest to proces tłumaczenia informacji zawartej w sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów w polipeptydzie.

4. Transkrypcja odwrotna to proces tworzenia dwuniciowego DNA na podstawie informacji z jednoniciowego RNA. Proces ten nazywa się odwrotną transkrypcją, ponieważ transfer informacji genetycznej zachodzi w kierunku „odwrotnym” w stosunku do transkrypcji. Idea odwrotnej transkrypcji była początkowo bardzo niepopularna, gdyż była sprzeczna z centralnym dogmatem biologii molekularnej, który zakładał, że DNA ulega transkrypcji na RNA, a następnie ulega translacji na białka.

Jednakże w 1970 roku Temin i Baltimore niezależnie odkryli enzym zwany odwrotna transkryptaza (rewertaza) i ostatecznie potwierdzono możliwość odwrotnej transkrypcji. W 1975 Temin i Baltimore otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Niektóre wirusy (takie jak ludzki wirus niedoboru odporności wywołujący zakażenie wirusem HIV) mają zdolność transkrypcji RNA na DNA. HIV ma genom RNA zintegrowany z DNA. W rezultacie DNA wirusa można połączyć z genomem komórki gospodarza. Główny enzym odpowiedzialny za syntezę DNA z RNA nazywa się odwrócenie. Jedną z funkcji Reversase jest tworzenie komplementarnego DNA (cDNA) z genomu wirusa. Powiązany enzym rybonukleaza rozszczepia RNA, a odwrotnaza syntetyzuje cDNA z podwójnej helisy DNA. cDNA jest integrowany z genomem komórki gospodarza za pomocą integrazy. Wynik to synteza białek wirusowych przez komórkę gospodarza, które tworzą nowe wirusy. W przypadku wirusa HIV programowana jest także apoptoza (śmierć komórek) limfocytów T. W innych przypadkach komórka może pozostać dystrybutorem wirusów.

Sekwencję reakcji matrycowych podczas biosyntezy białek można przedstawić w formie diagramu.

Zatem, biosynteza białek- jest to jeden z rodzajów wymiany plastycznej, podczas której informacja dziedziczna zakodowana w genach DNA zostaje wdrożona w określoną sekwencję aminokwasów w cząsteczkach białka.

Zasadniczo są to cząsteczki białka łańcuchy polipeptydowe, złożony z poszczególnych aminokwasów. Ale aminokwasy nie są wystarczająco aktywne, aby łączyć się ze sobą samodzielnie. Dlatego zanim połączą się ze sobą i utworzą cząsteczkę białka, muszą to być aminokwasy Aktywuj . Aktywacja ta następuje pod działaniem specjalnych enzymów.

W wyniku aktywacji aminokwas staje się bardziej labilny i pod działaniem tego samego enzymu wiąże się z t- RNA. Każdy aminokwas odpowiada ściśle określonemu t- RNA, który znajduje „swój” aminokwas i transfery go do rybosomu.

W związku z tym różne aktywowane aminokwasy w połączeniu z własnymi T- RNA. Rybosom jest podobny przenośnik do złożenia łańcucha białkowego z różnych dostarczonych mu aminokwasów.

Jednocześnie z t-RNA, na którym „siedzi” jego własny aminokwas, „ sygnał„z DNA zawartego w jądrze. Zgodnie z tym sygnałem w rybosomie syntetyzowane jest jedno lub drugie białko.

Kierujący wpływ DNA na syntezę białek nie odbywa się bezpośrednio, ale za pomocą specjalnego pośrednika - matryca Lub informacyjny RNA (m-RNA Lub mRNA), Który syntetyzowany w jądrze e pod wpływem DNA, więc jego skład odzwierciedla skład DNA. Cząsteczka RNA jest jak odlew formy DNA. Zsyntetyzowany mRNA wchodzi do rybosomu i niejako przenosi go do tej struktury plan- w jakiej kolejności należy połączyć ze sobą aktywowane aminokwasy wchodzące do rybosomu, aby doszło do syntezy konkretnego białka? W przeciwnym razie, informacja genetyczna zakodowana w DNA jest przenoszona na mRNA, a następnie na białko.

Cząsteczka mRNA wchodzi do rybosomu i szwy jej. Określany jest ten jego segment, który aktualnie znajduje się w rybosomie kodon (triplet), oddziałuje w zupełnie specyficzny sposób z tymi, które są do niego strukturalnie podobne triplet (antykodon) w transferowym RNA, który wprowadził aminokwas do rybosomu.

Transferowy RNA wraz z aminokwasem pasuje do określonego kodonu mRNA i łączy z nim; do następnej, sąsiedniej sekcji mRNA dodaje się kolejny tRNA z innym aminokwasem i tak dalej, aż zostanie odczytany cały łańcuch i-RNA, aż wszystkie aminokwasy zostaną zredukowane w odpowiedniej kolejności, tworząc cząsteczkę białka. Oraz tRNA, które dostarczyło aminokwas do określonej części łańcucha polipeptydowego, uwolniony od swojego aminokwasu i opuszcza rybosom.

Następnie ponownie w cytoplazmie pożądany aminokwas może się z nią połączyć i ponownie przenieść go do rybosomu. W procesie syntezy białek zaangażowanych jest jednocześnie nie jeden, ale kilka rybosomów – polirybosomów.

Główne etapy przekazywania informacji genetycznej:

1. Synteza DNA jako matrycy dla mRNA (transkrypcja)
2. Synteza łańcucha polipeptydowego w rybosomach zgodnie z programem zawartym w mRNA (translacja) .

Etapy są uniwersalne dla wszystkich żywych istot, ale czasowe i przestrzenne relacje tych procesów różnią się u pro- i eukariontów.

U prokariota transkrypcja i translacja mogą zachodzić jednocześnie, ponieważ DNA znajduje się w cytoplazmie. U eukarionty transkrypcja i translacja są ściśle oddzielone w przestrzeni i czasie: w jądrze zachodzi synteza różnych RNA, po czym cząsteczki RNA muszą opuścić jądro, przechodząc przez błonę jądrową. Następnie RNA są transportowane w cytoplazmie do miejsca syntezy białek.

1. Kodowanie i implementacja informacji biologicznej w komórce. System kodu DNA i białek.

2. Inżynieria genetyczna. Biotechnologia. Cele, metody. Osiągnięcia, perspektywy.

3. Definicja nauki o ekologii. Środowisko jako koncepcja ekologiczna, czynniki środowiskowe. Ekosystem, biogeocenoza, antropocenoza. Specyfika środowiska życia człowieka.

1. Przede wszystkim o różnorodności życia decyduje różnorodność cząsteczek białek, które pełnią w komórkach różne funkcje biologiczne. Strukturę białek określa zestaw i kolejność aminokwasów w ich łańcuchach peptydowych. To właśnie ta sekwencja aminokwasów w łańcuchach peptydowych jest szyfrowana w cząsteczkach DNA przy użyciu kodu biologicznego (genetycznego). Aby zaszyfrować 20 różnych aminokwasów, wystarczającą liczbę kombinacji nukleotydów można zapewnić jedynie za pomocą kodu tripletowego, w którym każdy aminokwas jest szyfrowany przez trzy sąsiadujące nukleotydy.

Kod genetyczny to system zapisu informacji o sekwencji aminokwasów w białkach wykorzystujący sekwencyjny układ nukleotydów w mRNA.

św. gen. kod:

1) Kod jest potrójny. Oznacza to, że każdy z 20 aminokwasów jest szyfrowany przez sekwencję 3 nukleotydów, zwaną tripletem lub kodonem.

2) Kod jest zdegenerowany. Oznacza to, że każdy aminokwas jest kodowany przez więcej niż jeden kodon (wyjątkami są metiotyna i tryptofan)

3) Kod jest jednoznaczny – każdy kodon koduje tylko 1 aminokwas

4) Pomiędzy genami znajdują się „znaki interpunkcyjne” (UAA, UAG, UGA), z których każdy oznacza zaprzestanie syntezy i stoi na końcu każdego genu.

5) Wewnątrz genu nie ma znaków interpunkcyjnych.

6) Kod jest uniwersalny. Kod genetyczny jest taki sam dla wszystkich istot żyjących na Ziemi.

Transkrypcja to proces odczytywania informacji RNA przeprowadzany przez polimerazę mRNA. DNA jest nośnikiem całej informacji genetycznej w komórce i nie uczestniczy bezpośrednio w syntezie białek. Pośrednik informacyjny będący nośnikiem jest wysyłany z jądra do rybosomów – miejsc składania białek – i jest w stanie przejść przez pory błony jądrowej. To jest mRNA. Zgodnie z zasadą komplementarności odczytuje z DNA przy udziale enzymu zwanego polimerazą RNA. Proces transkrypcji można podzielić na 4 etapy:

1) Wiązanie polimerazy RNA z promotorem,

2) inicjacja – początek syntezy. Polega na utworzeniu pierwszego wiązania fosfodiestrowego pomiędzy ATP i GTP oraz dwoma nukleotydami syntetyzującej cząsteczki mRNA,

3) elongacja – wzrost łańcucha RNA, tj. sekwencyjne dodawanie nukleotydów do siebie w kolejności, w jakiej pojawiają się komplementarne nukleotydy w transkrybowanej nici DNA,

4) Terminacja – zakończenie syntezy mRNA. Promotor jest platformą dla polimerazy RNA. Operon jest częścią pojedynczego genu DNA.

DNA(kwas deoksyrybonukleinowy) jest polimerem biologicznym składającym się z dwóch połączonych ze sobą łańcuchów polinukleotydowych. Monomery tworzące każdy z łańcuchów DNA to złożone związki organiczne, w skład których wchodzi jedna z czterech zasad azotowych: adenina (A) lub tymina (T), cytozyna (C) lub guanina (G), pięcioatomowa pentoza cukrowa – deoksyryboza , którego nazwa pochodzi od samego DNA, a także reszty kwasu fosforowego. Związki te nazywane są nukleotydami.

2. INŻYNIERIA GENETYCZNA, lub technologia rekombinacji DNA, zmiana wykorzystująca techniki biochemiczne i genetyczne materiału chromosomalnego - głównej dziedzicznej substancji komórek. Materiał chromosomalny składa się z kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Biolodzy izolują określone odcinki DNA, łączą je w nowe kombinacje i przenoszą z jednej komórki do drugiej. Dzięki temu możliwe jest dokonanie zmian w genomie, które z trudem zaszłyby w naturze. Dzięki inżynierii genetycznej uzyskano już wiele leków, w tym insulinę ludzką i interferon będący lekiem przeciwwirusowym. I choć technologia ta wciąż jest rozwijana, zapowiada się ogromny postęp zarówno w medycynie, jak i rolnictwie. Na przykład w medycynie jest to bardzo obiecujący sposób tworzenia i produkcji szczepionek. W rolnictwie rekombinowany DNA można wykorzystać do produkcji odmian roślin uprawnych odpornych na suszę, zimno, choroby, szkodniki owadzie i herbicydy.

Metody inżynierii genetycznej:

Metoda sekwencjonowania - oznaczanie sekwencji nukleotydowej DNA;

metoda odwrotnej transkrypcji DNA;

Reprodukcja poszczególnych fragmentów DNA.

Nowoczesna biotechnologia- to nowy kierunek naukowo-techniczny, który powstał w latach 60. i 70. naszego stulecia. Szczególnie dynamicznie zaczęła się rozwijać w połowie lat 70., po pierwszych sukcesach eksperymentów inżynierii genetycznej. Biotechnologia to w istocie nic innego jak wykorzystanie kultur komórkowych bakterii, drożdży, zwierząt czy roślin, których metabolizm i możliwości biosyntetyczne zapewniają produkcję określonych substancji. Biotechnologia, bazując na zastosowaniu wiedzy i metod biochemii, genetyki i inżynierii chemicznej, umożliwiła pozyskanie przy pomocy łatwo dostępnych, odnawialnych surowców substancji ważnych dla życia i dobrego samopoczucia.

3. Ekologia– nauka o związku organizmów żywych z ich środowiskiem. Natura, w której żyje żywy organizm, jest jego siedlisko . Czynniki środowiskowe wpływające na organizm nazywane są czynnikami środowiskowymi:

Czynniki abiotyczne– czynniki przyrody nieożywionej (temperatura, światło, wilgotność);

czynniki biotyczne– relacje między jednostkami w populacji i między populacjami w społeczeństwie naturalnym;

czynnik antropogeniczny– działalność człowieka powodująca zmiany w siedliskach organizmów żywych.

Fotoperiodyzm - ogólnie ważne przystosowanie organizmów. Wydłużające się dni wiosenne powodują zatem aktywną aktywność gonad.

W 1935 roku angielski botanik A. Tesley wprowadził koncepcję „ ekosystem„- historycznie ustalone otwarte, ale integralne i stabilne systemy składników żywych i nieożywionych, posiadające jednokierunkowy przepływ energii, wewnętrzny i zewnętrzny obieg substancji oraz posiadające zdolność regulowania wszystkich tych procesów.

W 1942 r. Radziecki akademik V.N. Sukachev sformułował koncepcję „ biogeocenoza„- otwarty system przyrodniczy składający się ze składników żywych i nieożywionych, zajmujący obszar o stosunkowo jednorodnym zbiorowisku roślinnym i charakteryzujący się pewnym przepływem energii, obiegiem substancji, ruchem i rozwojem.

Las, pole, łąka to ekosystem. Kiedy jednak cechy lasu i jego rodzaj określa określone zbiorowisko roślinne (las świerkowy – borówka, las sosnowy – borówka brusznica) – mamy do czynienia z biogeocenozą.

Środowisko ludzkie to splot oddziałujących na siebie naturalnych i antropogenicznych czynników środowiskowych, których zestaw jest różny w różnych regionach przyrodniczo-geograficznych i gospodarczych planety.

Kod genetyczny to system zapisu informacji dziedzicznej w cząsteczkach kwasu nukleinowego, oparty na pewnej przemianie sekwencji nukleotydów w DNA lub RNA, tworząc kodony odpowiadające aminokwasom w białku.

Właściwości kodu genetycznego.

Kod genetyczny ma kilka właściwości.

Potrójny.

Degeneracja lub redundancja.

Jednoznaczność.

Biegunowość.

Nie nakładające się.

Ścisłość.

Wszechstronność.

Należy zaznaczyć, że niektórzy autorzy proponują także inne właściwości kodu związane z charakterystyką chemiczną nukleotydów zawartych w kodzie czy częstotliwością występowania poszczególnych aminokwasów w białkach organizmu itp. Właściwości te wynikają jednak z właściwości wymienionych powyżej, dlatego rozważymy je tam.

A. Potrójny. Kod genetyczny, podobnie jak wiele skomplikowanych systemów, ma najmniejszą jednostkę strukturalną i najmniejszą funkcjonalną. Trójka jest najmniejszą jednostką strukturalną kodu genetycznego. Składa się z trzech nukleotydów. Kodon jest najmniejszą jednostką funkcjonalną kodu genetycznego. Zazwyczaj trójki mRNA nazywane są kodonami. W kodzie genetycznym kodon pełni kilka funkcji. Po pierwsze, jego główną funkcją jest kodowanie pojedynczego aminokwasu. Po drugie, kodon może nie kodować aminokwasu, ale w tym przypadku pełni inną funkcję (patrz poniżej). Jak widać z definicji, trójka jest pojęciem charakteryzującym podstawowy jednostka strukturalna kod genetyczny (trzy nukleotydy). Kodon – charakteryzuje elementarna jednostka semantyczna genom - trzy nukleotydy decydują o przyłączeniu jednego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego.

Elementarną jednostkę strukturalną najpierw rozszyfrowano teoretycznie, a następnie jej istnienie potwierdzono eksperymentalnie. Rzeczywiście, 20 aminokwasów nie może być kodowanych za pomocą jednego lub dwóch nukleotydów, ponieważ tych ostatnich są tylko 4. Trzy z czterech nukleotydów dają 4 3 = 64 warianty, co przekracza liczbę aminokwasów dostępnych w organizmach żywych (patrz tabela 1).

Kombinacje 64 nukleotydów przedstawione w tabeli mają dwie cechy. Po pierwsze, z 64 wariantów tripletów tylko 61 to kodony i kodują dowolny aminokwas, nazywane są one kodony zmysłowe. Trzy trójki nie kodują

aminokwasy a są sygnałami stopu wskazującymi koniec translacji. Istnieją trzy takie trojaczki - UAA, UAG, UGA, nazywane są także „bezsensownymi” (kodonami nonsensownymi). W wyniku mutacji, która jest związana z zastąpieniem jednego nukleotydu w triplecie innym, z kodonu sensownego może powstać kodon nonsensowny. Ten typ mutacji nazywa się bezsensowna mutacja. Jeżeli taki sygnał stopu powstanie wewnątrz genu (w jego części informacyjnej), to podczas syntezy białka w tym miejscu proces będzie stale przerywany – syntetyzowana będzie jedynie pierwsza (przed sygnałem stop) część białka. Osoba z tą patologią odczuje brak białka i objawy związane z tym niedoborem. Na przykład tego rodzaju mutację zidentyfikowano w genie kodującym łańcuch beta hemoglobiny. Syntetyzowany jest skrócony, nieaktywny łańcuch hemoglobiny, który szybko ulega zniszczeniu. W rezultacie powstaje cząsteczka hemoglobiny pozbawiona łańcucha beta. Oczywiste jest, że jest mało prawdopodobne, aby taka cząsteczka w pełni spełniła swoje obowiązki. Występuje poważna choroba, która rozwija się jako niedokrwistość hemolityczna (talasemia beta-zero, od greckiego słowa „Thalas” – Morze Śródziemne, gdzie po raz pierwszy odkryto tę chorobę).

Mechanizm działania kodonów stop różni się od mechanizmu działania kodonów sensownych. Wynika to z faktu, że dla wszystkich kodonów kodujących aminokwasy znaleziono odpowiadające im tRNA. Nie znaleziono tRNA dla kodonów nonsensownych. W związku z tym tRNA nie bierze udziału w procesie zatrzymywania syntezy białek.

KodonSIERPIEŃ (w bakteriach czasami GUG) nie tylko kodują aminokwasy metioninę i walinę, ale także sąinicjator transmisji .

B. Degeneracja lub redundancja.

61 z 64 trójek koduje 20 aminokwasów. Ten trzykrotny nadmiar liczby trójek nad liczbą aminokwasów sugeruje, że w przekazywaniu informacji można zastosować dwie opcje kodowania. Po pierwsze, nie wszystkie 64 kodony mogą być zaangażowane w kodowanie 20 aminokwasów, ale tylko 20, a po drugie, aminokwasy mogą być kodowane przez kilka kodonów. Badania wykazały, że natura skorzystała z tej drugiej opcji.

Jego preferencje są oczywiste. Jeżeli z 64 wariantów trójek tylko 20 było zaangażowanych w kodowanie aminokwasów, wówczas 44 trójki (z 64) pozostałyby niekodujące, tj. bezsensowne (bezsensowne kodony). Już wcześniej wskazywaliśmy, jak niebezpieczne dla życia komórki jest przekształcenie w wyniku mutacji tripletu kodującego w kodon nonsensowny – znacząco zakłóca to normalne funkcjonowanie polimerazy RNA, ostatecznie prowadząc do rozwoju chorób. Obecnie trzy kodony w naszym genomie to nonsens, ale teraz wyobraźmy sobie, co by się stało, gdyby liczba kodonów nonsensownych wzrosła około 15 razy. Jest oczywiste, że w takiej sytuacji przejście kodonów normalnych do kodonów nonsensownych będzie nieporównywalnie wyższe.

Kod, w którym jeden aminokwas jest kodowany przez kilka trójek, nazywa się zdegenerowanym lub zbędnym. Prawie każdy aminokwas ma kilka kodonów. Zatem aminokwas leucyna może być kodowany przez sześć trójek - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Walina jest kodowana przez cztery trójki, fenyloalanina przez dwie i tylko tryptofan i metionina kodowane przez jeden kodon. Właściwość związana z zapisywaniem tej samej informacji za pomocą różnych symboli nazywa się degeneracja.

Liczba kodonów przypisanych do jednego aminokwasu dobrze koreluje z częstotliwością występowania tego aminokwasu w białkach.

I najprawdopodobniej nie jest to przypadkowe. Im większa częstotliwość występowania aminokwasu w białku, im częściej kodon tego aminokwasu jest reprezentowany w genomie, tym większe jest prawdopodobieństwo jego uszkodzenia przez czynniki mutagenne. Dlatego jasne jest, że zmutowany kodon ma większą szansę na kodowanie tego samego aminokwasu, jeśli jest wysoce zdegenerowany. Z tej perspektywy degeneracja kodu genetycznego jest mechanizmem chroniącym ludzki genom przed uszkodzeniami.

Należy zauważyć, że termin „degeneracja” jest używany w genetyce molekularnej w innym znaczeniu. Zatem większość informacji w kodonie zawarta jest w pierwszych dwóch nukleotydach; zasada w trzeciej pozycji kodonu okazuje się mało istotna. Zjawisko to nazywa się „degeneracją trzeciej podstawy”. Ta ostatnia cecha minimalizuje wpływ mutacji. Wiadomo na przykład, że główną funkcją czerwonych krwinek jest transport tlenu z płuc do tkanek i dwutlenku węgla z tkanek do płuc. Funkcję tę pełni barwnik oddechowy – hemoglobina, który wypełnia całą cytoplazmę erytrocytu. Składa się z części białkowej – globiny, która jest kodowana przez odpowiedni gen. Oprócz białka cząsteczka hemoglobiny zawiera hem, który zawiera żelazo. Mutacje w genach globiny prowadzą do pojawienia się różnych wariantów hemoglobiny. Najczęściej mutacje są związane z zastąpienie jednego nukleotydu innym i pojawienie się nowego kodonu w genie, który może kodować nowy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym hemoglobiny. W triplecie w wyniku mutacji można zastąpić dowolny nukleotyd - pierwszy, drugi lub trzeci. Znanych jest kilkaset mutacji wpływających na integralność genów globiny. W pobliżu 400 z których są związane z zastąpieniem pojedynczych nukleotydów w genie i odpowiadającym zastąpieniem aminokwasów w polipeptydzie. Tylko z nich 100 zamienniki prowadzą do niestabilności hemoglobiny i różnego rodzaju chorób od łagodnych do bardzo ciężkich. 300 (około 64%) mutacji podstawieniowych nie wpływa na funkcję hemoglobiny i nie prowadzi do patologii. Jedną z przyczyn tego jest wspomniana powyżej „degeneracja trzeciej zasady”, gdy zastąpienie trzeciego nukleotydu w triplecie kodującym serynę, leucynę, prolinę, argininę i niektóre inne aminokwasy prowadzi do pojawienia się kodonu synonimicznego kodujące ten sam aminokwas. Taka mutacja nie będzie objawiać się fenotypowo. Natomiast jakakolwiek wymiana pierwszego lub drugiego nukleotydu w trójce w 100% przypadków prowadzi do pojawienia się nowego wariantu hemoglobiny. Ale nawet w tym przypadku mogą nie wystąpić poważne zaburzenia fenotypowe. Powodem tego jest zastąpienie aminokwasu w hemoglobinie innym, podobnym do pierwszego pod względem właściwości fizykochemicznych. Na przykład, jeśli aminokwas o właściwościach hydrofilowych zostanie zastąpiony innym aminokwasem, ale o tych samych właściwościach.

Hemoglobina składa się z grupy żelaza porfirynowego hemu (do którego przyłączone są cząsteczki tlenu i dwutlenku węgla) oraz białka - globiny. Hemoglobina u dorosłych (HbA) zawiera dwa identyczne -łańcuchy i dwa -więzy. Cząsteczka -łańcuch zawiera 141 reszt aminokwasowych, -łańcuch - 146, - I -łańcuchy różnią się wieloma resztami aminokwasowymi. Sekwencja aminokwasowa każdego łańcucha globiny jest kodowana przez jego własny gen. Kodowanie genów -łańcuch znajduje się na krótkim ramieniu chromosomu 16, -gen - w krótkim ramieniu chromosomu 11. Substytucja w kodzie genu -łańcuch hemoglobiny pierwszego lub drugiego nukleotydu prawie zawsze prowadzi do pojawienia się nowych aminokwasów w białku, zakłócenia funkcji hemoglobiny i poważnych konsekwencji dla pacjenta. Na przykład zastąpienie „C” w jednej z trójek CAU (histydyna) przez „Y” doprowadzi do pojawienia się nowej trójki UAU, kodującej inny aminokwas - tyrozynę. Fenotypowo objawia się to ciężką chorobą. A podobna zamiana w pozycji 63 -łańcuch polipeptydu histydynowego do tyrozyny doprowadzi do destabilizacji hemoglobiny. Rozwija się choroba methemoglobinemia. Zastąpienie w wyniku mutacji kwasu glutaminowego waliną na 6 pozycji -łańcuch jest przyczyną najcięższej choroby - anemii sierpowatokrwinkowej. Nie kontynuujmy smutnej listy. Zauważmy tylko, że przy wymianie dwóch pierwszych nukleotydów może pojawić się aminokwas o właściwościach fizykochemicznych podobnych do poprzedniego. Zatem zastąpienie drugiego nukleotydu w jednej z trójek kodujących kwas glutaminowy (GAA) w -łańcuch z „U” prowadzi do pojawienia się nowego tripletu (GUA), kodującego walinę, a zastąpienie pierwszego nukleotydu przez „A” tworzy triplet AAA, kodujący aminokwas lizynę. Kwas glutaminowy i lizyna mają podobne właściwości fizykochemiczne - oba są hydrofilowe. Walina jest aminokwasem hydrofobowym. Dlatego zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofobową waliną znacząco zmienia właściwości hemoglobiny, co ostatecznie prowadzi do rozwoju anemii sierpowatokrwinkowej, natomiast zastąpienie hydrofilowego kwasu glutaminowego hydrofilową lizyną w mniejszym stopniu zmienia funkcję hemoglobiny – u pacjentów rozwija się postać łagodna anemii. W wyniku zamiany trzeciej zasady, nowa trójka może kodować te same aminokwasy, co poprzednia. Na przykład, jeśli w triplecie CAC uracyl zostanie zastąpiony cytozyną i pojawi się triplet CAC, wówczas u ludzi nie zostaną wykryte praktycznie żadne zmiany fenotypowe. Jest to zrozumiałe, ponieważ obie trójki kodują ten sam aminokwas – histydynę.

Podsumowując, należy podkreślić, że degeneracja kodu genetycznego i degeneracja trzeciej zasady z ogólnego biologicznego punktu widzenia są mechanizmami ochronnymi nieodłącznie związanymi z ewolucją w unikalnej strukturze DNA i RNA.

V. Jednoznaczność.

Każda trójka (z wyjątkiem nonsensu) koduje tylko jeden aminokwas. Zatem w kierunku kodon - aminokwas kod genetyczny jest jednoznaczny, w kierunku aminokwas - kodon jest niejednoznaczny (zdegenerowany).

Niedwuznaczny

Kodon aminokwasu

Zdegenerowany

I w tym przypadku potrzeba jednoznaczności w kodzie genetycznym jest oczywista. W innej opcji, podczas translacji tego samego kodonu, do łańcucha białkowego zostaną wstawione różne aminokwasy, w wyniku czego powstaną białka o różnych strukturach pierwszorzędowych i różnych funkcjach. Metabolizm komórkowy przestawiłby się na tryb działania „jeden gen – kilka polipeptydów”. Jest oczywiste, że w takiej sytuacji funkcja regulacyjna genów zostałaby całkowicie utracona.

g. Polaryzacja

Odczyt informacji z DNA i mRNA następuje tylko w jednym kierunku. Polaryzacja jest ważna przy definiowaniu struktur wyższego rzędu (wtórnych, trzeciorzędnych itp.). Wcześniej mówiliśmy o tym, jak struktury niższego rzędu determinują struktury wyższego rzędu. Struktura trzeciorzędowa i struktury wyższego rzędu w białkach powstają, gdy tylko zsyntetyzowany łańcuch RNA opuszcza cząsteczkę DNA lub łańcuch polipeptydowy opuszcza rybosom. Podczas gdy wolny koniec RNA lub polipeptydu uzyskuje strukturę trzeciorzędową, drugi koniec łańcucha jest w dalszym ciągu syntetyzowany na DNA (w przypadku transkrypcji RNA) lub rybosomie (w przypadku transkrypcji polipeptydu).

Dlatego jednokierunkowy proces odczytywania informacji (podczas syntezy RNA i białka) jest niezbędny nie tylko do ustalenia sekwencji nukleotydów czy aminokwasów w syntetyzowanej substancji, ale do ścisłego określenia drugorzędowej, trzeciorzędowej itp. Struktury.

d. Brak nakładania się.

Kod może się nakładać lub nie. U większości organizmów kody się nie pokrywają. W niektórych fagach można znaleźć nakładający się kod.

Istotą kodu niezachodzącego na siebie jest to, że nukleotyd jednego kodonu nie może być jednocześnie nukleotydem innego kodonu. Gdyby kody nakładały się, wówczas sekwencja siedmiu nukleotydów (GCUGCUG) mogłaby kodować nie dwa aminokwasy (alanina-alanina) (ryc. 33, A) jak w przypadku kodu niezachodzącego na siebie, ale trzy (jeśli jest jeden wspólny nukleotyd) (ryc. 33, B) lub pięć (jeśli wspólne są dwa nukleotydy) (patrz ryc. 33, C). W dwóch ostatnich przypadkach mutacja dowolnego nukleotydu doprowadziłaby do naruszenia sekwencji dwóch, trzech itd. aminokwasy.

Ustalono jednak, że mutacja jednego nukleotydu zawsze zakłóca włączenie jednego aminokwasu do polipeptydu. Jest to istotny argument przemawiający za tym, że kod się nie nakłada.

Wyjaśnijmy to na rysunku 34. Pogrubione linie pokazują trójki kodujące aminokwasy w przypadku kodu nienakładającego się i nakładającego się. Eksperymenty wyraźnie wykazały, że kod genetyczny nie nakłada się. Nie wchodząc w szczegóły eksperymentu, zauważamy, że jeśli zastąpisz trzeci nukleotyd w sekwencji nukleotydów (patrz ryc. 34)U (oznaczone gwiazdką) na inną rzecz:

1. W przypadku niezachodzącego na siebie kodu białko kontrolowane przez tę sekwencję będzie miało substytucję jednego (pierwszego) aminokwasu (oznaczonego gwiazdkami).

2. W przypadku nakładającego się kodu w opcji A podstawienie nastąpi w dwóch (pierwszym i drugim) aminokwasach (oznaczonych gwiazdkami). W przypadku opcji B zastąpienie dotyczy trzech aminokwasów (oznaczonych gwiazdkami).

Jednakże liczne eksperymenty wykazały, że w przypadku przerwania jednego nukleotydu w DNA, zaburzenie w białku zawsze dotyczy tylko jednego aminokwasu, co jest typowe dla kodu niezachodzącego na siebie.

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

Kod nienakładający się Kod nakładający się

Ryż. 34. Schemat wyjaśniający obecność nienakładającego się na siebie kodu w genomie (objaśnienie w tekście).

Nienakładanie się kodu genetycznego wiąże się z jeszcze jedną właściwością – odczytywanie informacji rozpoczyna się od pewnego momentu – sygnału inicjującego. Takim sygnałem inicjacji w mRNA jest kodon kodujący metioninę AUG.

Należy zauważyć, że dana osoba nadal ma niewielką liczbę genów, które odbiegają od ogólnej zasady i nakładają się.

e. Zwartość.

Pomiędzy kodonami nie ma znaków interpunkcyjnych. Inaczej mówiąc, trojaczki nie są od siebie oddzielone np. jednym nic nie znaczącym nukleotydem. Eksperymentalnie udowodniono brak „znaków interpunkcyjnych” w kodzie genetycznym.

I. Wszechstronność.

Kod jest taki sam dla wszystkich organizmów żyjących na Ziemi. Bezpośredni dowód uniwersalności kodu genetycznego uzyskano poprzez porównanie sekwencji DNA z odpowiadającymi im sekwencjami białek. Okazało się, że wszystkie genomy bakterii i eukariotów korzystają z tych samych zestawów wartości kodowych. Są wyjątki, ale nie jest ich wiele.

Pierwsze wyjątki od uniwersalności kodu genetycznego znaleziono w mitochondriach niektórych gatunków zwierząt. Dotyczyło to kodonu terminatora UGA, który brzmi tak samo jak kodon UGG, kodujący aminokwas tryptofan. Stwierdzono także inne, rzadsze odchylenia od uniwersalności.

System kodu DNA.

Kod genetyczny DNA składa się z 64 trójek nukleotydów. Te trojaczki nazywane są kodonami. Każdy kodon koduje jeden z 20 aminokwasów używanych w syntezie białek. Daje to pewną redundancję w kodzie: większość aminokwasów jest kodowana przez więcej niż jeden kodon.
Jeden kodon pełni dwie powiązane ze sobą funkcje: sygnalizuje początek translacji i koduje włączenie aminokwasu metioniny (Met) do rosnącego łańcucha polipeptydowego. System kodowania DNA jest zaprojektowany w taki sposób, że kod genetyczny może być wyrażany albo jako kodony RNA, albo jako kodony DNA. Kodony RNA znajdują się w RNA (mRNA) i kodony te są w stanie odczytać informacje podczas syntezy polipeptydów (proces zwany translacją). Ale każda cząsteczka mRNA nabywa sekwencję nukleotydową w transkrypcji z odpowiedniego genu.

Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem dwóch (Met i Trp) mogą być kodowane przez 2 do 6 różnych kodonów. Jednakże genom większości organizmów pokazuje, że niektóre kodony są faworyzowane w stosunku do innych. Na przykład u ludzi alanina jest kodowana przez GCC cztery razy częściej niż przez GCG. Prawdopodobnie wskazuje to na większą wydajność translacji aparatu translacyjnego (na przykład rybosomu) dla niektórych kodonów.

Kod genetyczny jest niemal uniwersalny. Te same kodony są przypisane do tej samej sekcji aminokwasów, a te same sygnały startu i stopu są w przeważającej mierze takie same u zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Znaleziono jednak pewne wyjątki. Większość polega na przypisaniu jednego lub dwóch z trzech kodonów stop do aminokwasu.