Генетичният код е. Концепцията за ген, генетичен код. ДНК кодова система

Генетични функции на ДНКсе състоят в това, че осигурява съхранение, предаване и внедряване на наследствена информация, която е информация за първичната структура на протеините (т.е. аминокиселинен състав). Връзката между синтеза на ДНК и протеина е предсказана от биохимиците J. Beadl и E. Tatum още през 1944 г. при изучаване на механизма на мутации в плесенната невроспора. Информацията се записва под формата на специфична последователност от азотни бази в ДНК молекула, използвайки генетичен код. Дешифрирането на генетичния код се счита за едно от големите открития на естествената наука на ХХ век. и се приравнява по важност с откриването на ядрената енергия във физиката. Успехът в тази област е свързан с името на американския учен М. Ниренберг, в чиято лаборатория е дешифриран първият кодон, YYY. Целият процес на декриптиране обаче отне повече от 10 години, много известни учени от различни страни, и не само биолози, но и физици, математици, кибернетика. Решителен принос за разработването на механизъм за записване на генетична информация е направен от G. Gamow, който е първият, който предполага, че кодонът се състои от три нуклеотида. Със съвместни усилия на учените беше дадена пълна характеристика на генетичния код.

Буквите във вътрешния кръг са основите на 1 -ва позиция в кодона, буквите във втория кръг са
основите на 2 -ра позиция и буквите извън втория кръг са основите на 3 -та позиция.
Последният кръг съдържа съкратени имена на аминокиселини. NP - неполярен,
Р - остатъци от полярни аминокиселини.

Основните свойства на генетичния код са: тройност, дегенерацияи без припокриване... Триплет означава, че последователност от три основи определя включването на специфична аминокиселина в протеинова молекула (например AUG - метионин). Дегенерацията на кода се крие във факта, че една и съща аминокиселина може да бъде кодирана от два или повече кодона. Не припокриване означава, че една и съща база не може да бъде включена в два съседни кодона.

Установено е, че кодът е универсален, т.е. принципът на записване на генетична информация е еднакъв за всички организми.

Триплетите, кодиращи една и съща аминокиселина, се наричат ​​синонимични кодони. Те обикновено имат идентични основанияна 1 -ва и 2 -ра позиция и се различават само в третата база. Например включването на аминокиселината аланин в протеинова молекула се кодира от синонимни кодони в молекулата на РНК - GCA, GCC, GCG, GCY. Генетичният код съдържа три некодиращи триплета (глупости кодони - UAG, UGA, UAA), които играят ролята на стоп сигнали в процеса на четене на информация.

Установено е, че универсалността на генетичния код не е абсолютна. При запазване на принципа на кодиране, общ за всички организми и характеристиките на кода, в редица случаи се наблюдава промяна в семантичното натоварване на отделните кодови думи. Това явление се нарича неяснота на генетичния код, а самият код се нарича квазиуниверсален.

Прочетете и други статии тема 6 "Молекулярна основа на наследствеността":

Преминете към четене на други теми в книгата "Генетика и подбор. Теория. Задачи. Отговори".

Генетичният код е система за записване на наследствена информация в молекули на нуклеинова киселина въз основа на определено редуване на нуклеотидни последователности в ДНК или РНК, които образуват кодони, съответстващи на аминокиселини в протеин.

Свойства на генетичния код.

Генетичният код има няколко свойства.

Тризначност.

Дегенерация или излишък.

Недвусмисленост.

Полярност.

Не се припокриват.

Компактност.

Универсалност.

Трябва да се отбележи, че някои автори предлагат и други свойства на кода, свързани с химичните характеристики на нуклеотидите, включени в кода, или с честотата на появата на отделни аминокиселини в телесните протеини и т.н. Тези свойства обаче следват от горното, затова ще ги разгледаме там.

а. Тризначност. Генетичният код, подобно на много сложно организирани системи, има най -малката структурна и най -малката функционална единица. Триплетът е най -малката структурна единица на генетичния код. Състои се от три нуклеотида. Кодонът е най -малката функционална единица на генетичния код. По правило тройките на тРНК се наричат ​​кодони. В генетичния код кодонът има няколко функции. Първо, основната му функция е, че кодира една аминокиселина. Второ, кодонът може да не кодира аминокиселина, но в този случай изпълнява различна функция (виж по -долу). Както може да се види от определението, триплетът е понятие, което характеризира елементарен структурно звеногенетичен код (три нуклеотида). Кодон - характеризира елементарна семантична единицагеном - три нуклеотида определят свързването на една аминокиселина към полипептидната верига.

Елементарната структурна единица първо беше дешифрирана теоретично, а след това нейното съществуване беше потвърдено експериментално. Всъщност 20 аминокиселини не могат да бъдат кодирани с един или два нуклеотида. последните са само 4. Три от четирите нуклеотида дават 4 3 = 64 варианта, което надхвърля повече от броя на наличните аминокиселини в живите организми (виж Таблица 1).

Нуклеотидните комбинации, показани в Таблица 64, имат две характеристики. Първо, от 64 варианта на тризнаци, само 61 са кодони и кодират всяка аминокиселина, те се наричат сетивни кодони... Три тройки не кодират

аминокиселините a са стоп сигнали, показващи края на транслацията. Има три такива тройки - UAA, UAG, UGA, те също се наричат ​​"безсмислени" (глупости кодони). В резултат на мутация, която е свързана със замяната на един нуклеотид в триплет с друг, от чувствен кодон може да възникне безсмислен кодон. Този вид мутация се нарича безсмислена мутация... Ако вътре в гена се образува такъв стоп сигнал (в неговата информационна част), то по време на синтеза на протеин на това място процесът ще бъде постоянно прекъсван - ще се синтезира само първата (преди стоп сигнала) част от протеина. Човек с тази патология ще изпита недостиг на протеин и симптоми, свързани с тази липса. Например, този вид мутация е открита в гена, кодиращ бета-веригата на хемоглобина. Синтезира се съкратена неактивна хемоглобинова верига, която бързо се разрушава. В резултат на това се образува молекула хемоглобин, лишена от бета веригата. Ясно е, че е малко вероятно такава молекула да изпълни напълно своите задължения. Появява се сериозно заболяване, развиващо се като хемолитична анемия (бета -нулева таласемия, от гръцката дума "Talas" - Средиземно море, където това заболяване е открито за първи път).

Механизмът на действие на стоп кодоните е различен от този на чувствените кодони. Това следва от факта, че съответните тРНК са открити за всички кодони, кодиращи аминокиселини. Не бяха открити тРНК за глупости кодони. Следователно, тРНК не участва в процеса на спиране на протеиновия синтез.

КодонAUG (при бактерии, понякога GUG) не само кодират аминокиселината метионин и валин, но също такаинициатор на излъчване .

б. Дегенерация или излишък.

61 от 64 триплета кодират 20 аминокиселини. Такова трикратно превишаване на броя на триплетите над броя на аминокиселините предполага, че две възможности за кодиране могат да бъдат използвани при трансфера на информация. Първо, не всички 64 кодона могат да участват в кодирането на 20 аминокиселини, но само 20, и второ, аминокиселините могат да бъдат кодирани от няколко кодона. Изследванията показват, че природата е използвала последния вариант.

Предпочитанието му е очевидно. Ако само 20 от 64 варианта на триплети са участвали в кодирането на аминокиселини, тогава 44 тройки (от 64) биха останали некодиращи, т.е. безсмислени (глупости кодони). По -рано посочихме колко опасна е трансформацията на кодиращия триплет в резултат на мутация в безсмислен кодон за живота на клетката - това значително нарушава нормалната работа на РНК полимеразата, което в крайна сметка води до развитие на заболявания. Понастоящем в нашия геном три кодона са безсмислени, но сега си представете какво би станало, ако броят на глупостите кодони се увеличи с около 15 пъти. Ясно е, че в такава ситуация преходът на нормалните кодони към безсмислени кодони ще бъде неизмеримо по -висок.

Код, в който една аминокиселина е кодирана от няколко триплета, се нарича дегенериран или излишен. Няколко кодона съответстват на почти всяка аминокиселина. И така, аминокиселината левцин може да бъде кодирана от шест тройки - UUA, UUG, CUU, CUTS, CUA, CUG. Валинът е кодиран от четири тройки, фенилаланин от две и само триптофан и метионинса кодирани от един кодон. Извиква се свойството, което е свързано със записването на една и съща информация с различни символи дегенерация.

Броят на кодоните, приписани на една аминокиселина, корелира добре с честотата на появата на аминокиселината в протеините.

И това най -вероятно не е случайно. Колкото по -висока е честотата на срещане на аминокиселина в протеин, толкова по -често кодонът на тази аминокиселина е представен в генома, толкова по -голяма е вероятността от увреждане от мутагенни фактори. Следователно е ясно, че мутиралият кодон има по -голям шанс да кодира същата аминокиселина, предвид високата му дегенерация. От тези позиции дегенерацията на генетичния код е механизъм, който предпазва човешкия геном от увреждане.

Трябва да се отбележи, че терминът дегенерация се използва в молекулярната генетика и в различен смисъл. Така че основната част от информацията в кодона попада върху първите два нуклеотида, основата в третата позиция на кодона се оказва незначителна. Това явление се нарича „трета основна дегенерация“. Последната характеристика минимизира ефекта от мутациите. Например, известно е, че основната функция на червените кръвни клетки е да пренасят кислород от белите дробове до тъканите и въглероден двуокисот тъканите до белите дробове. Тази функция се изпълнява от дихателния пигмент - хемоглобина, който изпълва цялата цитоплазма на еритроцита. Състои се от протеинова част - глобин, която е кодирана от съответния ген. В допълнение към протеина, хем, съдържащ желязо, е включен в молекулата на хемоглобина. Мутациите в гените на глобина водят до появата на различни варианти на хемоглобина. Най -често мутациите са свързани с замяна на един нуклеотид с друг и появата на нов кодон в гена, който може да кодира нова аминокиселина в полипептидната верига на хемоглобина. В триплет, в резултат на мутация, всеки нуклеотид може да бъде заменен - ​​първи, втори или трети. Известно е, че няколкостотин мутации засягат целостта на глобиновите гени. относно 400 от тях са свързани със заместването на единични нуклеотиди в гена и съответното заместване на аминокиселина в полипептида. От тях само 100 заместванията водят до нестабилност на хемоглобина и различни видове заболявания от леки до много тежки. 300 (приблизително 64%) заместващи мутации не влияят върху функцията на хемоглобина и не водят до патология. Една от причините за това е споменатото по-горе „дегенерация на третата основа“, когато заместването на третия нуклеотид в триплета, кодиращ серин, левцин, пролин, аргинин и някои други аминокиселини води до появата на синоним кодон кодираща същата аминокиселина. Фенотично тази мутация няма да се появи. За разлика от това, всяко заместване на първия или втория нуклеотид в триплет в 100% от случаите води до появата на нов вариант на хемоглобина. Но дори и в този случай може да няма тежки фенотипни нарушения. Причината за това е заместването на аминокиселина в хемоглобина с друга, подобна на първата. физични и химични свойства... Например, ако аминокиселина с хидрофилни свойства се замени с друга аминокиселина със същите свойства.

Хемоглобинът се състои от желязната порфиринова група хем (молекули кислород и въглероден диоксид се прикрепят към него) и протеин - глобин. Възрастният хемоглобин (HbA) съдържа два идентични -вериги и две -вериги. Молекула -веригата съдържа 141 аминокиселинни остатъци, -верижка - 146, - и β-веригите се различават по много аминокиселинни остатъци. Аминокиселинната последователност на всяка глобинова верига е кодирана от собствен ген. Кодиране на гени - веригата се намира в късата ръка на хромозома 16, -ген - в късото рамо на хромозома 11. Заместване в кодиращия ген - хемоглобиновата верига на първия или втория нуклеотид почти винаги води до появата на нови аминокиселини в протеина, дисфункция на хемоглобина и тежки последици за пациента. Например, замяната на „С“ в един от триплетите на CAU (хистидин) с „Y“ ще доведе до появата на нов триплет на CAU, който кодира друга аминокиселина - тирозин. β-веригата на хистидинов полипептид до тирозин ще дестабилизира хемоглобина. Заболяването развива метхемоглобинемия. Замяна, в резултат на мутация, на глутаминова киселина за валин на 6 -та позиция -веригите са причина за най -тежкото заболяване - сърповидно -клетъчна анемия. Нека не продължаваме тъжния списък. Отбелязваме само, че когато първите два нуклеотида бъдат заменени, една аминокиселина може да изглежда подобна по физико -химични свойства на предишната. По този начин заместването на втория нуклеотид в един от триплетите, кодиращи глутаминова киселина (GAA) в -верига с "Y" води до появата на нов триплет (GUA), кодиращ валин, а заместването на първия нуклеотид с "А" образува триалет AAA, кодиращ аминокиселината лизин. Глутаминовата киселина и лизинът са сходни по физико -химични свойства - и двата са хидрофилни. Валинът е хидрофобна аминокиселина. Следователно, замяната на хидрофилна глутаминова киселина с хидрофобен валин значително променя свойствата на хемоглобина, което в крайна сметка води до развитие на сърповидно -клетъчна анемия, докато замяната на хидрофилна глутаминова киселина с хидрофилен лизин променя функцията на хемоглобина в по -малка степен - пациентите имат лека форма на анемия. В резултат на заместването на третата основа, новият триплет може да кодира същите аминокиселини като предишната. Например, ако урацилът е заменен с цитозин в CAC триплет и се появи CAC триплет, тогава практически няма да бъдат открити фенотипни промени при хората. Това е разбираемо, тъй като и двата триплета кодират една и съща аминокиселина, хистидин.

В заключение е уместно да се подчертае, че дегенерацията на генетичния код и дегенерацията на третата база от обща биологична гледна точка са защитни механизми, които са вградени в еволюцията в уникалната структура на ДНК и РНК.

v. Недвусмисленост.

Всеки триплет (с изключение на безсмислените) кодира само една аминокиселина. По този начин, в посока кодон - аминокиселина генетичен коднедвусмислено, в посока аминокиселина - кодон - двусмислено (дегенерирано).

Недвусмислено

Аминокиселинен кодон

Изродени

И в този случай необходимостта от недвусмисленост в генетичния код е очевидна. В друг вариант, по време на транслацията на един и същ кодон, различни аминокиселини биха били вмъкнати в протеиновата верига и в резултат на това биха се образували протеини с различни първични структури и различни функции. Клетъчният метаболизъм ще премине към режим на работа "един ген - няколко попепедиди". Ясно е, че в такава ситуация регулаторната функция на гените би била напълно загубена.

Полярност

Четенето на информация от ДНК и от иРНК става само в една посока. Полярността е от съществено значение за идентифициране на структури от по -висок ред (вторични, третични и т.н.). По-рано обсъждахме, че структурите от по-нисък ред определят структури от по-висок ред. Третичната структура и структурите от по-висок ред в протеините се образуват веднага щом синтезираната РНК верига се отдалечи от молекулата на ДНК или полипептидната нишка напусне рибозомата. Докато свободният край на РНК или полипептид придобива третична структура, другият край на веригата все още се синтезира върху ДНК (ако РНК се транскрибира) или рибозома (ако се транскрибира полипептид).

Следователно, еднопосочният процес на четене на информация (при синтеза на РНК и протеин) е от съществено значение не само за определяне на последователността на нуклеотиди или аминокиселини в синтезираното вещество, но и за твърдо определяне на вторични, третични и т.н. структури.

д. Не припокриване.

Кодът може да се припокрива и да не се припокрива. Повечето организми нямат припокриващ се код. Припокриващият се код се среща в някои фаги.

Същността на неприпокриващия се код е, че нуклеотидът на един кодон не може да бъде едновременно нуклеотид на друг кодон. Ако кодът се припокрива, тогава последователност от седем нуклеотида (GCCHCUG) може да кодира не две аминокиселини (аланин-аланин) (фиг. 33, А), както в случая с не припокриващ се код, а три (ако един нуклеотидът е често срещан) (фиг. 33, В) или пет (ако два нуклеотида са общи) (виж фиг. 33, В). В последните два случая мутация на всеки нуклеотид би довела до нарушаване на последователността от две, три и т.н. аминокиселини.

Установено е обаче, че една нуклеотидна мутация винаги нарушава включването на една аминокиселина в полипептид. Това е важна причина, поради която кодът не се припокрива.

Нека обясним това на Фигура 34. Удебелените линии показват триплетите, кодиращи аминокиселини в случай на не припокриващ се и припокриващ се код. Експериментите недвусмислено показват, че генетичният код не се припокрива. Без да навлизаме в детайлите на експеримента, отбелязваме, че ако заменим третия нуклеотид в нуклеотидната последователност (виж фиг. 34)Имам (маркирано със звездичка) към някои други:

1. С не припокриващ се код, протеинът, контролиран от тази последователност, би имал заместване на една (първа) аминокиселина (маркирана със звездички).

2. При припокриващ се код в опция А ще има промяна в две (първа и втора) аминокиселини (маркирани със звездички). При вариант Б, заместването би засегнало три аминокиселини (маркирани със звездички).

Многобройни експерименти обаче показват, че когато един нуклеотид в ДНК е нарушен, нарушенията в протеина винаги засягат само една аминокиселина, което е характерно за не припокриващ се код.

ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ

ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ

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

Аланин - Аланин Ала - Цис - Лей Ала - Лей - Лей - Ала - Лей

A B C

Код, който не се припокрива Кодът се припокрива

Ориз. 34. Схема, обясняваща наличието на не припокриващ се код в генома (обяснение в текста).

Не припокриването на генетичния код е свързано с друго свойство - четенето на информация започва от определена точка - сигнала за иницииране. Такъв иницииращ сигнал в иРНК е кодонът, кодиращ метионин AUG.

Трябва да се отбележи, че човек все още има малък брой гени, които се отклоняват общо правилои се припокриват.

д. Компактност.

Между кодоните няма препинателни знаци. С други думи, тризнаците не са отделени един от друг, например, с един безсмислен нуклеотид. Отсъствието на "препинателни знаци" в генетичния код е доказано в експерименти.

е. Универсалност.

Кодът е един и същ за всички организми, живеещи на Земята. Пряко доказателство за универсалността на генетичния код е получено чрез сравняване на ДНК последователности със съответните протеинови последователности. Оказа се, че същите набори от кодови стойности се използват във всички бактериални и еукариотни геноми. Има изключения, но не много.

Първите изключения от универсалността на генетичния код са открити в митохондриите на някои животински видове. Това се отнася до кодона на терминатора UGA, който се чете по същия начин като кодона на UGG, кодиращ аминокиселината триптофан. Открити са и други по -редки отклонения от универсалността.

ДНК кодова система.

ДНК генетичният код се състои от 64 нуклеотидни триплета. Тези тризнаци се наричат ​​кодони. Всеки кодон кодира една от 20 -те аминокиселини, използвани при синтеза на протеини. Това дава известна излишност в кода: повечето аминокиселини са кодирани от повече от един кодон.
Един кодон изпълнява две взаимосвързани функции: той сигнализира началото на транслацията и кодира включването на аминокиселината метионин (Met) във нарастващата полипептидна верига. ДНК кодиращата система е проектирана по такъв начин, че генетичният код може да се изрази или като РНК кодони, или като ДНК кодони. РНК кодоните се намират в РНК (иРНК) и тези кодони са в състояние да четат информация по време на синтеза на полипептиди (процес, наречен транслация). Но всяка молекула на тРНК придобива последователност от нуклеотиди в транскрипция от съответния ген.

Всички освен две аминокиселини (Met и Trp) могат да бъдат кодирани с 2 до 6 различни кодона. Геномът на повечето организми обаче показва, че някои кодони са предпочитани пред други. При хората, например, аланинът се кодира от GCC четири пъти по -често от GCG. Това вероятно показва по -голямата ефективност на транслацията на транслационния апарат (например рибозомата) за някои кодони.

Генетичният код е почти универсален. Същите кодони са приписани на едно и също място на аминокиселина и същите сигнали за стартиране и спиране в голяма степен съвпадат при животни, растения и микроорганизми. Въпреки това бяха открити някои изключения. Повечето от тях включват присвояване на един или два от трите стоп кодона на аминокиселината.

Генетичният код е начин за кодиране на последователност от аминокиселини в протеинова молекула, използваща последователността от нуклеотиди в молекула на нуклеинова киселина. Свойствата на генетичния код следват от особеностите на това кодиране.

Всяка аминокиселина на протеин е свързана с три последователни нуклеотида на нуклеинова киселина - тройка, или кодон... Всеки от нуклеотидите може да съдържа една от четирите азотни основи. В РНК е така аденин(А), урацил(U), гуанин(G), цитозин(° С). Комбинирайки азотни основи по различни начини (в този случай съдържащи техните нуклеотиди), можете да получите много различни триплети: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC и т.н. Общият брой на възможните комбинации е 64, т.е. 4 3.

Протеините на живите организми съдържат около 20 аминокиселини. Ако природата "е заченала" да кодира всяка аминокиселина не с три, а с два нуклеотида, тогава разнообразието от такива двойки няма да е достатъчно, тъй като ще има само 16 от тях, т.е. 4 2.

Поради това, основното свойство на генетичния код е неговата тройност... Всяка аминокиселина е кодирана от троен нуклеотид.

Тъй като има значително повече възможни различни триплети от аминокиселините, използвани в биологичните молекули, такова свойство се реализира в живата природа като съкращаванегенетичен код. Много аминокиселини започнаха да се кодират не от един кодон, а от няколко. Например, аминокиселината глицин се кодира от четири различни кодона: GGU, GGC, GGA, GGG. Излишъкът също се нарича дегенерация.

Съответствието между аминокиселините и кодоните е показано в таблици. Например такива:

По отношение на нуклеотидите генетичният код има следното свойство: недвусмисленост(или специфичност): всеки кодон съответства само на една аминокиселина. Например, само глицинът и никоя друга аминокиселина не могат да бъдат кодирани с кодона GGU.

Отново. Излишъкът е свързан с факта, че няколко тройки могат да кодират една и съща аминокиселина. Специфичност - всеки специфичен кодон може да кодира само една аминокиселина.

В генетичния код няма специални препинателни знаци (с изключение на стоп кодони, които показват края на синтеза на полипептиди). Функцията на препинателните знаци се изпълнява от самите тризнаци - краят на една означава, че следващата ще започне друга. Оттук следва следните две свойства на генетичния код: приемствености без припокриване... Непрекъснатостта се разбира като четене на тройки веднага един след друг. Не припокриване означава, че всеки нуклеотид може да бъде част само от един триплет. Така че първият нуклеотид на следващия триплет винаги идва след третия нуклеотид на предишния триплет. Кодонът не може да започне от втория или третия нуклеотид на предходния кодон. С други думи, кодът не се припокрива.

Генетичният код има свойството универсалност... Същото е за всички организми на Земята, което говори за единството на произхода на живота. Има обаче много редки изключения. Например, някои триплети от митохондрии и хлоропласти кодират аминокиселини, различни от обичайните. Това може да показва, че в зората на развитието на живота е имало малко по -различни вариации на генетичния код.

И накрая, генетичният код има устойчивост на шум, което е следствие от такова свойство като излишък. Точковите мутации, понякога възникващи в ДНК, обикновено водят до заместване на една азотна основа с друга. Това променя триплета. Например, това беше AAA, след мутацията стана AAG. Тези промени обаче не винаги водят до промяна в аминокиселината в синтезирания полипептид, тъй като и двата триплета, поради свойствата на излишък на генетичния код, могат да съответстват на една аминокиселина. Като се има предвид, че мутациите са по -често вредни, свойството за устойчивост на шум е полезно.

Класификация на гените

1) По естеството на взаимодействието в алелната двойка:

Доминант (ген, способен да потисне проявата на рецесивен ген, алелен към него); - рецесивен (ген, проявлението на който се потиска от доминантния ген, алелен към него)

2) Функционална класификация:

2) Генетичен код- Това са определени комбинации от нуклеотиди и последователността на тяхното местоположение в молекулата на ДНК. Това е начин, присъщ на всички живи организми, за кодиране на аминокиселинната последователност на протеини, използвайки последователност от нуклеотиди.

ДНК използва четири нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т), които в руската литература са обозначени с буквите А, G, Т и С. Тези букви съставляват азбуката на генетичен код. В РНК се използват същите нуклеотиди, с изключение на тимина, който е заменен от подобен нуклеотид - урацил, който се обозначава с буквата U (Y в литературата на руски език). В молекулите на ДНК и РНК нуклеотидите са подредени във вериги и по този начин се получават последователности от генетични букви.

Генетичен код

В природата 20 различни аминокиселини се използват за изграждане на протеини. Всеки протеин е верига или няколко вериги от аминокиселини в строго определена последователност. Тази последователност определя структурата на протеина и следователно всички негови биологични свойства... Наборът от аминокиселини също е универсален за почти всички живи организми.

Внедряването на генетична информация в живите клетки (тоест синтеза на протеина, кодиран от гена) се извършва с помощта на два матрични процеса: транскрипция (тоест синтез на тРНК върху ДНК матрицата) и транслация на генетичния код в аминокиселинната последователност (синтез на полипептидната верига върху матрицата на тРНК). Три последователни нуклеотида са достатъчни за кодиране на 20 аминокиселини, както и стоп сигнал, което означава край на протеиновата последователност. Набор от три нуклеотида се нарича триплет. Приетите съкращения, съответстващи на аминокиселини и кодони, са показани на фигурата.

Свойства на генетичния код

1. Тризначност- значимата единица на кода е комбинация от три нуклеотида (триплет или кодон).

2. Непрекъснатост- няма препинателни знаци между тройките, тоест информацията се чете непрекъснато.

3. Дискретност- един и същ нуклеотид не може да бъде част от две или повече триплети едновременно.

4. Специфика- определен кодон отговаря само на една аминокиселина.

5. Дегенерация (излишък)- няколко кодона могат да съответстват на една и съща аминокиселина.

6. Универсалност - генетичен коддейства еднакво при организми с различни нива на сложност - от вируси до хора. (методите на генното инженерство се основават на това)

3) транскрипция - процесът на синтез на РНК, използващ ДНК като матрица, който се среща във всички живи клетки. С други думи, това е трансфер на генетична информация от ДНК към РНК.

Транскрипцията се катализира от ензима ДНК-зависима РНК полимераза. Процесът на синтез на РНК протича в посока от 5 "- до 3"- края, тоест по протежение на матричната ДНК верига, РНК полимеразата се движи в посока 3 "-> 5"

Транскрипцията се състои от етапите на иницииране, удължаване и прекратяване.

Иницииране на транскрипция- сложен процес, който зависи от последователността на ДНК в близост до транскрибираната последователност (и при еукариотите също от по -отдалечени области на генома - усилватели и заглушители) и от наличието или отсъствието на различни протеинови фактори.

Удължаване- продължава по -нататъшното преплитане на синтеза на ДНК и РНК по кодиращата нишка. той, както и синтезът на ДНК се извършва в посока 5-3

Прекратяване на договора- веднага щом полимеразата достигне терминатора, тя незабавно се отцепва от ДНК, локалният ДНК-РНК хибрид се унищожава и новосинтезираната РНК се транспортира от ядрото до цитоплазмата и транскрипцията завършва.

Обработка- набор от реакции, водещи до превръщане на първичните продукти на транскрипция и транслация в функциониращи молекули. П. са изложени на функционално неактивни молекули-предшественици декомпресиращи. рибонуклеинов to-t (тРНК, рРНК, иРНК) и много други. протеини.

В процеса на синтез на катаболни ензими (разцепващи се субстрати) в прокариотите се получава индуцируем ензимен синтез. Това дава възможност на клетката да се адаптира към условията. околната средаи спестяване на енергия чрез спиране на синтеза на съответния ензим, ако необходимостта от него отпадне.
За индуцирането на синтеза на катаболни ензими са необходими следните условия:

1. Ензим се синтезира само когато разцепването на подходящия субстрат е необходимо за клетката.
2. Концентрацията на субстрата в средата трябва да надвишава определено ниво, преди да може да се образува съответният ензим.
Механизмът на регулиране на генната експресия при Escherichia coli е най -добре проучен с помощта на примера на лак оперон, който контролира синтеза на три катаболни ензима, които разграждат лактозата. Ако в клетката има много глюкоза и малко лактоза, промоторът остава неактивен, а репресорният протеин е на оператора - транскрипцията на lac оперона се блокира. Когато количеството глюкоза в средата и следователно в клетката намалява, а лактозата се увеличава, настъпват следните събития: количеството на цикличния аденозин монофосфат се увеличава, то се свързва с протеина CAP - този комплекс активира промотора, към който РНК полимераза се свързва; в същото време излишъкът от лактоза се комбинира с репресорния протеин и освобождава оператора от него - пътят за РНК полимераза е отворен и започва транскрипцията на структурните гени на лак -оперона. Лактозата действа като индуктор на синтеза на тези ензими, които я разграждат.

5) Регулиране на генната експресия при еукариотие много по -сложно. Различните видове клетки на многоклетъчен еукариотен организъм синтезират редица идентични протеини и в същото време те се различават един от друг в набор от протеини, специфични за клетки от този тип. Нивото на производство зависи от вида на клетките, както и от етапа на развитие на организма. Регулирането на генната експресия се извършва на нивото на клетката и на нивото на организма. Гените на еукариотните клетки са разделени на двеосновни видове: първият определя универсалността на клетъчните функции, вторият определя (дефинира) специализирани клетъчни функции. Функции на гените първа групаманифест във всички клетки... За да изпълняват диференцирани функции, специализираните клетки трябва да експресират определен набор от гени.
Хромозомите, гените и опероните на еукариотните клетки имат редица структурни и функционални характеристики, което обяснява сложността на генната експресия.
1. Оперони на еукариотни клетки имат няколко гена - регулатори, които могат да бъдат разположени в различни хромозоми.
2. Структурните гени, които контролират синтеза на ензими на един биохимичен процес, могат да бъдат концентрирани в няколко оперона, разположени не само в една молекула на ДНК, но и в няколко.
3. Сложна последователност на ДНК молекула. Има информативни и неинформативни раздели, уникални и повтарящи се информативни нуклеотидни последователности.
4. Еукариотните гени се състоят от екзони и интрони, а узряването на м-РНК е придружено от изрязване на интрони от съответните първични РНК-транскрипти (про-i-РНК), т.е. снаждане.
5. Процесът на генна транскрипция зависи от състоянието на хроматина. Локалното уплътняване на ДНК напълно блокира синтеза на РНК.
6. Транскрипцията в еукариотни клетки не винаги е свързана с транслация. Синтезираната м-РНК може да се съхранява дълго време под формата на информозоми. Транскрипцията и преводът се извършват в различни отделения.
7. Някои еукариотни гени имат непоследователна локализация (лабилни гени или транспозони).
8. Методите на молекулярната биология разкриват инхибиторния ефект на хистоновите протеини върху синтеза на i-РНК.
9. В процеса на развитие и диференциация на органи, активността на гените зависи от хормоните, циркулиращи в тялото и причиняващи специфични реакциив определени клетки. При бозайниците действието на половите хормони е важно.
10. При еукариотите 5-10% от гените се експресират на всеки етап от онтогенезата, останалите трябва да бъдат блокирани.

6) ремонт на генетичен материал

Генетичен ремонт- процесът на премахване на генетичното увреждане и възстановяване на наследствения апарат, който протича в клетките на живите организми под действието на специални ензими. Способността на клетките да възстановяват генетичните увреждания е открита за първи път през 1949 г. от американския генетик А. Келнер. Ремонт- специална функция на клетките, която се състои в способността да коригира химическо увреждане и разрушаване на молекулите на ДНК, повредени по време на нормалната биосинтеза на ДНК в клетката или в резултат на излагане на физически или химически агенти. Извършва се от специални ензимни системи на клетката. Редица наследствени заболявания (например ксеродерма пигментоза) са свързани с нарушения на възстановителните системи.

видове репарации:

Директното възстановяване е най -простият начин за възстановяване на увреждане в ДНК, което обикновено включва специфични ензими, които са способни бързо (обикновено в един етап) да поправят съответното увреждане, възстановявайки първоначалната структура на нуклеотидите. Ето как например действа O6-метилгуанин-ДНК метилтрансферазата, която премахва метиловата група от азотната основа до един от нейните собствени цистеинови остатъци.

Веществата, отговорни за съхранението и предаването на генетична информация, са нуклеинова киселина(ДНК и РНК).

Определят се всички функции на клетките и тялото като цяло набор от протеиниосигуряване

• образуването на клетъчни структури,
• синтез на всички други вещества (въглехидрати, мазнини, нуклеинови киселини),
• протичането на жизненоважни процеси.

Геномът съдържа информация за аминокиселинната последователност във всички протеини на тялото. Именно тази информация се нарича генетична информация .

Поради регулацията на гените се регулира времето на синтеза на протеини, тяхното количество, местоположението в клетката или в организма като цяло. В много отношения за това са отговорни регулаторните ДНК региони, които увеличават и намаляват генната експресия в отговор на определени сигнали.

Информацията за протеин може да бъде записана в нуклеинова киселина само по един начин - под формата на последователност от нуклеотиди. ДНК е изградена от 4 вида нуклеотиди (A, T, G, C), а протеините - от 20 вида аминокиселини. Така възниква проблемът с превеждането на четирибуквения запис на информация в ДНК в запис на протеини от двадесет букви. Отношенията, въз основа на които се извършва такъв превод, се наричат генетичен код.

Първият проблем на генетичния код беше теоретично разгледан от изключителния физик Георги Гъмов.Генетичният код има определен набор от свойства, които ще бъдат разгледани по -долу.

защо е необходим генетичен код?

По -рано говорихме за факта, че всички реакции в живите организми се извършват под действието на ензими и именно способността на ензимите да конюгират реакции прави възможно клетките да синтезират биополимери поради енергията на хидролизата на АТФ. В случай на прости линейни хомополимери, тоест полимери, състоящи се от еднакви единици, един ензим е достатъчен за този синтез. За синтеза на полимер, състоящ се от два редуващи се мономера, са необходими два ензима, три - три и т.н. Ако полимерът е разклонен, са необходими допълнителни ензими за образуване на връзки в точките на разклонение. Така в синтеза на някои сложни полимери участват повече от десет ензима, всеки от които е отговорен за прикрепването на определен мономер на определено място и определена връзка.

Въпреки това, при синтеза на неправилни хетерополимери (тоест полимери без повтарящи се области) с уникална структура, като протеини и нуклеинови киселини, такъв подход по принцип е невъзможен. Ензимът може да прикрепи определена аминокиселина, но не може да определи къде трябва да бъде поставен в полипептидната верига. Това е основният проблем на биосинтеза на протеини, чието решение е невъзможно с помощта на конвенционален ензимен апарат. Необходим е допълнителен механизъм, който използва известен източник на информация за реда на аминокиселините във веригата.

За да разрешите този проблем Колцовпредложен матричен механизъм на протеиновия синтез... Той вярва, че протеиновата молекула е основата, матрица за синтеза на същите молекули, тоест същата аминокиселина в синтезираната нова молекула е поставена срещу всеки аминокиселинен остатък в полипептидната верига. Тази хипотеза отразява нивото на познание от онази епоха, когато всички функции на живо същество са свързани с определени протеини.

По -късно обаче се оказа, че веществото, което съхранява генетична информация, са нуклеинови киселини.

СВОЙСТВА НА ГЕНЕТИЧЕСКИЯ КОД

КОЛИНЕРНОСТ (линейност)

Първо ще разгледаме как последователността на аминокиселините в протеините е записана в нуклеотидна последователност. Логично е да се предположи, че тъй като последователностите на нуклеотиди и аминокиселини са линейни, между тях съществува линейно съответствие, тоест съседни нуклеотиди в ДНК съответстват на съседни аминокиселини в полипептид. Това е показано и от линейния характер на генетичните карти. Доказателство за такова линейно съответствие, или колинеарност,е съвпадението на линейното подреждане на мутациите на генетичната карта и аминокиселинните замествания в протеините на мутантните организми.

тройност

Когато се разглеждат свойствата на кода, най -малко вероятно ще възникне въпросът за кодовия номер. Необходимо е да се кодират 20 аминокиселини с четири нуклеотида. Очевидно 1 нуклеотид не може да кодира 1 аминокиселина, тъй като тогава би било възможно да се кодират само 4 аминокиселини. За да се кодират 20 аминокиселини, са необходими комбинации от няколко нуклеотида. Ако вземем комбинации от два нуклеотида, тогава получаваме 16 различни комбинации ($ 4 ^ 2 $ = 16). Това не е достатъчно. Ще има 64 комбинации от три нуклеотида ($ 4 ^ 3 $ = 64), тоест дори повече от необходимото. Ясно е, че комбинации от Повече ▼могат да се използват и нуклеотиди, но от съображения за простота и икономичност те са малко вероятни, тоест кодът е триплетен.

дегенеративност и недвусмисленост

В случай на 64 комбинации възниква въпросът дали всички комбинации кодират аминокиселини или всяка аминокиселина отговаря само на един триплет нуклеотиди. Във втория случай повечето тризнаци биха били безсмислени, а заместванията на нуклеотиди в резултат на мутации в две трети от случаите биха довели до загуба на протеин. Това не е в съответствие с наблюдаваните нива на загуба на протеин от мутации, което показва използването на всички или почти всички тризнаци. По -късно беше установено, че има три тризнаци, некодиращи аминокиселини... Те служат за отбелязване на края на полипептидната верига. Те се наричат стоп кодони. 61 триплета кодират различни аминокиселини, т.е. една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета. Това свойство на генетичния код се нарича дегенерация.Дегенерацията се случва само в посока от аминокиселини към нуклеотиди, в обратна посока кодът е недвусмислен, т.е. всеки триплет кодира една специфична аминокиселина.

препинателни знаци

Важен въпрос, който се оказа теоретично невъзможен за решаване, е как триплетите, кодиращи съседни аминокиселини, са отделени един от друг, тоест има ли препинателни знаци в генетичния текст.

Липса на запетаи - експерименти

Гениалните експерименти на Крик и Бренър направиха възможно да се установи дали има "запетаи" в генетичните текстове. В хода на тези експерименти учените, използвайки мутагенни вещества (акридинови багрила), предизвикаха появата на определен вид мутация - загуба или вмъкване на 1 нуклеотид. Оказа се, че загубата или вмъкването на 1 или 2 нуклеотида винаги причинява разграждане на кодирания протеин, докато загубата или вмъкването на 3 нуклеотида (или кратно на 3) практически не влияе върху функцията на кодирания протеин.

Нека си представим, че имаме генетичен текст, изграден от повтарящ се триплет от АВС нуклеотиди (фиг. 1, а). Ако няма препинателни знаци, вмъкването на един допълнителен нуклеотид ще доведе до пълно изкривяване на текста (фиг. 1, а). Получени са мутации на бактериофага, разположени близо една до друга на генетичната карта. При кръстосване на два фага, носещи такива мутации, възниква хибрид с две еднобуквени вмъквания (фиг. 1б). Ясно е, че смисълът на текста се е загубил и в този случай. Ако въведем още едно вписване с една буква, тогава след кратък неправилен раздел смисълът ще бъде възстановен и има шанс да се получи функциониращ протеин (фиг. 1, в). Това важи за триплетния код при липса на препинателни знаци. Ако номерът на кода е различен, броят на вмъкванията, необходими за възстановяване на смисъла, ще бъде различен. Ако кодът съдържа препинателни знаци, вмъкването ще наруши четенето само на един триплет, а останалата част от протеина ще бъде синтезирана правилно и ще остане активна. Експериментите показват, че вмъкването на една буква винаги води до изчезването на протеина, а възстановяването на функцията се случва, когато броят на вмъкванията е кратен на 3. По този начин тройността на генетичния код и липсата на вътрешни препинателни знаци са били доказано.

без припокриване

Гамов предполага, че кодът се припокрива, тоест първият, вторият и третият нуклеотиди кодират първата аминокиселина, втората, третата и четвъртата - втората аминокиселина, третата, четвъртата и петата - третата и т.н. Тази хипотеза създаде вид на решение на пространствени трудности, но създаде друг проблем. При това кодиране тази аминокиселина не може да бъде последвана от друга, тъй като в кодиращия я триплет първите два нуклеотида вече са определени и броят на възможните триплети е намален до четири. Анализът на аминокиселинните последователности в протеините показа, че са открити всички възможни двойки съседни аминокиселини, тоест кодът трябва да бъде не препокриващи се.

универсалност

декриптиране на кода

Когато бяха проучени основните свойства на генетичния код, започна работа по неговото декодиране и бяха определени стойностите на всички тризнаци (виж фиг.). Тройката, кодираща специфична аминокиселина, се нарича кодон.Като правило са посочени кодони в иРНК, понякога в смисловата верига на ДНК (същите кодони, но със заместване на Y за Т). За някои аминокиселини, като метионин, има само един кодон. Други имат два кодона (фенилаланин, тирозин). Има аминокиселини, които са кодирани от три, четири и дори шест кодона. Кодоните на една аминокиселина са сходни помежду си и като правило се различават с един последен нуклеотид. Това прави генетичния код по -стабилен, тъй като замяната на последния нуклеотид в кодона по време на мутации не води до заместване на аминокиселината в протеина. Познаването на генетичния код ни позволява, знаейки последователността на нуклеотидите в гена, да изведем последователността на аминокиселините в протеин, която е широко използвана в съвременните изследвания.