Codul informațiilor ereditare. Biosinteza proteinelor și a acizilor nucleici
COD GENETIC, sistem de înregistrare informații ereditare sub forma unei secvențe de baze de nucleotide în moleculele ADN (în unele virusuri - ARN), care determină structura primară (localizarea reziduurilor de aminoacizi) în moleculele de proteine (polipeptide). Problema codului genetic a fost formulată după demonstrarea rolului genetic al ADN-ului (microbiologii americani O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) și descifrarea structurii acestuia (J. Watson, F. Crick, 1953), după stabilirea că genele determină structura și funcția enzimelor (principiul „o genă - o enzimă” de J. Beadle și E. Tatem, 1941) și că există o dependență a structurii spațiale și a activității unei proteine de structura sa primară (F. Senger, 1955). Întrebarea cum o combinație de 4 baze acizi nucleici Determinați alternanța a 20 de reziduuri comune de aminoacizi în polipeptide, introduse pentru prima dată de G. Gamow în 1954.
Pe baza unui experiment în care a fost investigată interacțiunea inserțiilor și delețiilor unei perechi de nucleotide, într-una din genele bacteriofagului T4, F. Crick și alți oameni de știință au determinat în 1961 proprietățile generale ale codului genetic: tripletness , adică, fiecare rest de aminoacizi din lanțul polipeptidic corespunde unui set de trei baze (triplet sau codon) în ADN-ul unei gene; citirea codonilor dintr-o genă merge dintr-un punct fix, într-o direcție și „fără virgule”, adică codonii nu sunt separați de niciun semn unul de celălalt; degenerare sau redundanță - același rest de aminoacizi poate fi codificat de mai mulți codoni (codoni sinonimi). Autorii au presupus că codonii nu se suprapun (fiecare bază aparține unui singur codon). Studiul direct al abilității de codificare a tripletelor a fost continuat utilizând un sistem de sinteză a proteinelor fără celule sub controlul ARN-ului sintetic mesager (ARNm). În 1965, codul genetic a fost complet descifrat în lucrările lui S. Ochoa, M. Nirenberg și H. G. Korana. Dezvăluirea secretelor codului genetic a fost una dintre realizările remarcabile ale biologiei în secolul al XX-lea.
Implementarea codului genetic în celulă are loc în cursul a două procese matrice - transcriere și traducere. Mediatorul dintre genă și proteină este mARN, care se formează în timpul transcrierii pe una dintre firele de ADN. În acest caz, secvența de bază ADN, care transportă informații despre structura primară a proteinei, este „rescrisă” sub forma unei secvențe de bază mARN. Apoi, în timpul translației pe ribozomi, secvența nucleotidică a ARNm este citită de ARN-uri de transport (ARNt). Acestea din urmă au un capăt acceptor, la care este atașat un reziduu de aminoacizi și un capăt adaptor, sau anticodon-triplet, care recunoaște codonul ARNm corespunzător. Interacțiunea dintre codon și anti-codon are loc pe baza asocierii complementare a bazelor: Adenină (A) - Uracil (U), Guanină (G) - Citozină (C); în acest caz, secvența bazelor mARN este convertită în secvența de aminoacizi a proteinei sintetizate. Diferite organisme folosesc codoni sinonimi diferiți cu frecvențe diferite pentru același aminoacid. Citirea ARNm care codifică lanțul polipeptidic începe (este inițiată) din codonul AUG corespunzător aminoacidului metionină. Mai puțin frecvent, la procariote, codonii de inițiere sunt GUG (valină), UUG (leucină), AUU (izoleucină), în eucariote - UUG (leucină), AUA (izoleucină), ACG (treonină), CUG (leucină). Aceasta setează așa-numitul cadru sau faza de citire în timpul traducerii, adică atunci întreaga secvență nucleotidică a ARNm este citită triplet cu triplet de ARNt până când oricare dintre cei trei codoni terminatori, adesea numiți codoni stop, sunt întâlniți pe ARNm: UAA, UAG, UGA (tabel). Citirea acestor triplete duce la finalizarea sintezei lanțului polipeptidic.
Codonii AUG și codonii stop sunt localizați la începutul și la sfârșitul regiunilor ARNm care codifică polipeptidele, respectiv.
Codul genetic este cvasi-universal. Aceasta înseamnă că există mici variații ale semnificației unor codoni în diferite obiecte și acest lucru se referă, în primul rând, la codoni terminatori, care pot fi semnificativi; de exemplu, în mitocondriile unor eucariote și în micoplasme, UGA codifică triptofanul. În plus, în unele ARNm de bacterii și eucariote, UGA codifică un aminoacid neobișnuit - selenocisteina și UAG într-una din arhee - pirolizina.
Există un punct de vedere potrivit căruia codul genetic a apărut întâmplător (ipoteza „cazului înghețat”). Este mai probabil să fi evoluat. Această presupunere este susținută de existența unei versiuni mai simple și, aparent, mai vechi a codului, care este citită în mitocondrii conform regulii „doi din trei”, când un aminoacid este determinat doar de două din trei baze într-un triplet.
Lit.: Crick F. N. și. O. Natura generală a codului genetic pentru proteine // Natura. 1961. Vol. 192; Codul genetic. N. Y. 1966; Ichas M. Cod biologic. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Cum se citește codul genetic: reguli și excepții // Știința naturală modernă... M., 2000. T. 8; Ratner V.A. Codul genetic ca sistem // Jurnal educativ Soros. 2000. T. 6. Nr. 3.
S. G. Inge-Vechtomov.
În orice celulă și organism, toate caracteristicile naturii anatomice, morfologice și funcționale sunt determinate de structura proteinelor care sunt incluse în ele. Proprietatea ereditară a corpului este capacitatea de a sintetiza anumite proteine. Aminoacizii sunt localizați în lanțul polipeptidic, de care depind trăsăturile biologice.
Fiecare celulă este caracterizată de propria sa secvență de nucleotide din lanțul ADN polinucleotidic. Acesta este codul genetic al ADN-ului. Prin intermediul acestuia se înregistrează informații despre sinteza anumitor proteine. Acest articol descrie ce este codul genetic, proprietățile sale și informațiile genetice.
Un pic de istorie
Ideea că codul genetic poate exista a fost formulată de J. Gamow și A. Down la mijlocul secolului al XX-lea. Ei au descris că secvența de nucleotide responsabile pentru sinteza unui anumit aminoacid conține cel puțin trei unități. Ulterior, au demonstrat numărul exact de trei nucleotide (aceasta este o unitate a codului genetic), care a fost numită triplet sau codon. Există șaizeci și patru de nucleotide în total, deoarece molecula acidă, unde apare ARN, constă din reziduuri de patru nucleotide diferite.
Care este codul genetic
Modul de codificare a secvenței proteice a aminoacizilor datorită secvenței nucleotidice este caracteristic tuturor celulelor și organismelor vii. Asta este codul genetic.
Există patru nucleotide în ADN:
- adenină - A;
- guanină - G;
- citozină - C;
- timină - T.
Acestea sunt desemnate cu majuscule în latină sau (în literatura rusă) rusă.
Există, de asemenea, patru nucleotide în ARN, dar una dintre ele este diferită de ADN:
- adenină - A;
- guanină - G;
- citozină - C;
- uracil - U.
Toate nucleotidele sunt aliniate în lanțuri și se obține o dublă helix în ADN și o singură helică în ARN.
Proteinele sunt construite acolo unde sunt situate într-o anumită succesiune, determină proprietățile sale biologice.
Proprietățile codului genetic
Tripletness. Unitatea codului genetic constă din trei litere, este tripletă. Aceasta înseamnă că cei douăzeci de aminoacizi existenți sunt codificați cu trei nucleotide specifice numite codoni sau trilete. Există șaizeci și patru de combinații care pot fi făcute din patru nucleotide. Această cantitate este mai mult decât suficientă pentru a codifica douăzeci de aminoacizi.
Degenerare. Fiecare aminoacid corespunde mai multor codoni, cu excepția metioninei și triptofanului.
Neambiguitate. Un codon criptează un aminoacid. De exemplu, în gena unei persoane sănătoase cu informații despre ținta beta a hemoglobinei, tripletele GAG și GAA codifică A la toți cei cu anemie cu celule secera, se înlocuiește o nucleotidă.
Colinearitatea. Secvența de aminoacizi se potrivește întotdeauna cu secvența de nucleotide pe care o conține gena.
Codul genetic este continuu și compact, ceea ce înseamnă că nu are „semne de punctuație”. Adică, începând de la un anumit codon, există o lectură continuă. De exemplu, AUGGUGTSUUAAUGUG va fi citit ca: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Dar nu AUG, UGG și așa mai departe sau în orice alt mod.
Versatilitate. Este la fel pentru absolut toate organismele terestre, de la oameni la pești, ciuperci și bacterii.
masa
Nu toți aminoacizii disponibili sunt prezenți în tabelul prezentat. Hidroxiprolină, hidroxilizină, fosfoserină, derivați de tirozină iodo, cistină și alții sunt absenți, deoarece sunt derivați ai altor aminoacizi codificați de ARNm și formați după modificarea proteinelor ca urmare a traducerii.
Din proprietățile codului genetic se știe că un codon este capabil să codifice un aminoacid. Excepția este codul genetic, care îndeplinește funcții suplimentare și codifică valina și metionina. IRNA, fiind la început cu un codon, atașează ARN-t, care poartă formilmetion. La finalizarea sintezei, acesta este scindat de la sine și captează reziduul de formil, fiind transformat în reziduu de metionină. Astfel, codonii menționați anterior sunt inițiatori ai sintezei lanțului polipeptidic. Dacă nu sunt la început, atunci nu diferă de ceilalți.
Informații genetice
Acest concept se referă la un program de proprietate transmis de la strămoși. Este încorporat în ereditate ca un cod genetic.
Codul genetic este implementat în timpul sintezei proteinelor:
- i-ARN informațional;
- r-ARN ribozomal.
Informațiile sunt transmise prin comunicare directă (ADN-ARN-proteină) și invers (mediu-proteină-ADN).
Organismele îl pot primi, stoca, transmite și utiliza mai eficient.
Trecând prin moștenire, informațiile determină dezvoltarea unui organism. Dar datorită interacțiunii cu mediu inconjurator reacția acestuia din urmă este distorsionată, din cauza căreia se produce evoluția și dezvoltarea. Astfel, noi informații sunt introduse în corp.
Calculul tiparelor biologie moleculara iar descoperirea codului genetic a ilustrat că este necesară combinarea geneticii cu teoria lui Darwin, pe baza căreia teoria sintetică evoluție - biologie non-clasică.
Ereditate, variabilitate și selecție naturală Suplimentele lui Darwin sunt completate de o selecție determinată genetic. Evoluția este implementată pe nivel genetic prin mutații aleatorii și moștenirea celor mai valoroase trăsături care sunt cele mai adaptate mediului.
Decodarea codului într-o persoană
În anii nouăzeci, a fost lansat proiectul genomului uman, în urma căruia în cele două miimi au fost descoperite fragmente ale genomului care conțin 99,99% din genele umane. Fragmentele care nu sunt implicate în sinteza proteinelor și nu sunt codificate au rămas necunoscute. Rolul lor este încă necunoscut.
Ultimul cromozom 1 descoperit în 2006 este cel mai lung din genom. Peste trei sute cincizeci de boli, inclusiv cancerul, apar ca urmare a tulburărilor și mutațiilor din acesta.
Rolul unor astfel de studii poate fi greu supraestimat. Când au descoperit ce este codul genetic, a devenit cunoscut prin ce tipare are loc dezvoltarea, cum se formează structura morfologică, psihicul, predispoziția la anumite boli, metabolismul și viciile indivizilor.
Conform codului genetic, este obișnuit să se înțeleagă un astfel de sistem de semne care denotă aranjamentul secvențial al compușilor nucleotidici în ADN și ARN, care corespunde altui sistem de semne afișând secvența compușilor de aminoacizi dintr-o moleculă proteică.
Este important!
Când oamenii de știință au reușit să studieze proprietățile codului genetic, universalitatea a fost recunoscută ca fiind una dintre cele mai importante. Da, oricât de ciudat pare, totul este unit de un cod genetic universal, comun. S-a format pe un interval lung de timp, iar procesul s-a încheiat acum aproximativ 3,5 miliarde de ani. În consecință, în structura codului, pot fi urmărite urmele evoluției sale, de la momentul înființării sale până în prezent.
Când vorbim despre secvența aranjamentului elementelor în codul genetic, înseamnă că este departe de a fi haotic, dar are o ordine strict definită. Și acest lucru determină, de asemenea, în mare măsură proprietățile codului genetic. Acest lucru este echivalent cu dispunerea literelor și silabelor în cuvinte. Merită să încălcăm ordinea obișnuită și cea mai mare parte din ceea ce citim pe paginile cărților sau ziarelor se va transforma într-un ridicol ridicol.
Proprietățile de bază ale codului genetic
De obicei, codul conține unele informații criptate într-un mod special. Pentru a descifra codul, trebuie să știți trăsături distinctive.
Deci, principalele proprietăți ale codului genetic sunt:
- triplete;
- degenerare sau redundanță;
- lipsa de ambiguitate;
- continuitate;
- deja menționat mai sus universalitatea.
Să ne oprim asupra fiecărei proprietăți mai detaliat.
1. Triplet
Acesta este momentul în care trei compuși de nucleotide formează un lanț secvențial în cadrul unei molecule (adică ADN sau ARN). Ca rezultat, un compus triplet este creat sau codifică unul dintre aminoacizii, locația sa în lanțul peptidic.
Distingeți între codoni (sunt și cuvinte de cod!) Prin secvența lor de conexiune și prin tipul acelor compuși azotați (nucleotide) care fac parte din aceștia.
În genetică, se obișnuiește să se distingă 64 de tipuri de codoni. Ele pot forma combinații de patru tipuri de nucleotide, câte 3 în fiecare. Acest lucru echivalează cu ridicarea numărului 4 la a treia putere. Astfel, este posibilă formarea a 64 de combinații de nucleotide.
2. Redundanța codului genetic
Această proprietate poate fi urmărită atunci când sunt necesari mai mulți codoni pentru a cripta un aminoacid, de obicei în intervalul 2-6. Și numai triptofanul poate fi codat cu un singur triplet.
3. Neambiguitate
Este inclus în proprietățile codului genetic ca indicator al moștenirii genetice sănătoase. De exemplu, tripletul GAA, care se află pe locul șase în lanț, poate spune medicilor despre starea bună a sângelui, despre hemoglobina normală. El este cel care poartă informații despre hemoglobină și este, de asemenea, codificat de aceasta. Și dacă o persoană este bolnavă de anemie, una dintre nucleotide este înlocuită cu o altă literă din cod - Y, care este un semnal al bolii.
4. Continuitate
La înregistrarea acestei proprietăți a codului genetic, trebuie amintit că codonii, ca verigi de lanț, nu sunt localizați la distanță, ci în imediata apropiere, unul după altul într-un lanț de acid nucleic, iar acest lanț nu este întrerupt - există fără început sau sfârșit în el.
5. Versatilitate
Nu trebuie uitat niciodată că totul de pe Pământ este unit de un cod genetic comun. Prin urmare, într-o primată și o persoană, într-o insectă și o pasăre, un baobab centenar și un fir de iarbă care abia a ieșit din pământ, aminoacizi similari sunt codificați de aceleași triplete.
În gene se află informațiile de bază despre proprietățile unui organism, un fel de program pe care organismul îl moștenește de la cei care au trăit mai devreme și care există ca un cod genetic.
Anterior, am subliniat faptul că nucleotidele au o caracteristică importantă pentru formarea vieții pe Pământ - dacă există un lanț polinucleotidic într-o soluție, procesul de formare a unui al doilea lanț (paralel) are loc spontan pe baza unei conexiuni complementare a nucleotide. Același număr de nucleotide din ambele lanțuri și relația lor chimică este o condiție prealabilă pentru implementarea unor astfel de reacții. Cu toate acestea, în timpul sintezei proteinelor, când informațiile din ARNm sunt implementate în structura proteinei, nu poate fi vorba de respectarea principiului complementarității. Acest lucru se datorează faptului că nu numai numărul de monomeri este diferit în ARNm și în proteina sintetizată, dar, de asemenea, ceea ce este deosebit de important, nu există o asemănare structurală între ele (pe de o parte, nucleotide, pe de altă parte , aminoacizi). Este clar că în acest caz devine necesar să se creeze un nou principiu pentru traducerea exactă a informațiilor dintr-o polinucleotidă într-o structură polipeptidică. În evoluție, un astfel de principiu a fost creat și codul genetic a fost pus la baza acestuia.
Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în molecule de acid nucleic bazate pe o anumită alternanță de secvențe de nucleotide în ADN sau ARN care formează codoni corespunzători aminoacizilor dintr-o proteină.
Codul genetic are mai multe proprietăți.
Tripletness.
Degenerare sau redundanță.
Neambiguitate.
Polaritate.
Non-suprapunere.
Compacitate.
Versatilitate.
Trebuie remarcat faptul că unii autori propun și alte proprietăți ale codului asociate cu caracteristicile chimice ale nucleotidelor incluse în cod sau cu frecvența apariției aminoacizilor individuali în proteinele corpului etc. Cu toate acestea, aceste proprietăți rezultă din cele de mai sus, așa că le vom lua în considerare acolo.
A. Tripletness. Codul genetic, ca multe sisteme complex organizate, are cea mai mică unitate structurală și cea mai mică funcțională. Un triplet este cea mai mică unitate structurală a codului genetic. Se compune din trei nucleotide. Codonul este cea mai mică unitate funcțională a codului genetic. De regulă, tripletele ARNm se numesc codoni. În codul genetic, un codon are mai multe funcții. În primul rând, funcția sa principală este aceea că codifică un aminoacid. În al doilea rând, codonul nu poate codifica un aminoacid, dar, în acest caz, îndeplinește o funcție diferită (vezi mai jos). După cum se poate vedea din definiție, un triplet este un concept care se caracterizează elementar unitate structurală cod genetic (trei nucleotide). Codon - caracterizează unitate semantică elementară genom - trei nucleotide determină atașarea unui aminoacid la lanțul polipeptidic.
Unitatea structurală elementară a fost mai întâi descifrată teoretic, iar apoi existența sa a fost confirmată experimental. Într-adevăr, 20 de aminoacizi nu pot fi codați cu una sau două nucleotide. acestea din urmă au doar 4. Trei din patru nucleotide dau 4 3 = 64 de variante, care depășesc cu mult numărul de aminoacizi disponibili în organismele vii (vezi Tabelul 1).
Combinațiile de nucleotide prezentate în Tabelul 64 au două caracteristici. În primul rând, din 64 de variante de triplete, doar 61 sunt codoni și codifică orice aminoacid, ei sunt numiți codoni de sens... Trei triplete nu codifică
Tabelul 1.
Codoni ARN Messenger și aminoacizi corespondenți
|
P o n o v a n i c o d o n o v |
|||||
|
Prostii |
Prostii |
||||
|
Prostii | |||||
|
Întâlnit |
|||||
|
Ax |
|||||
aminoacizii a sunt semnale de oprire care indică sfârșitul traducerii. Există trei astfel de triplete - UAA, UAG, UGA, sunt numite și „fără sens” (codoni aiurea). Ca urmare a unei mutații, care este asociată cu înlocuirea unui nucleotid într-un triplet cu altul, un codon fără sens poate apărea dintr-un codon de sens. Acest tip de mutație se numește mutație fără sens... Dacă un astfel de semnal de oprire se formează în interiorul genei (în partea sa informațională), atunci în timpul sintezei proteinelor în acest loc procesul va fi întrerupt în mod constant - doar prima (înainte de semnalul de oprire) parte a proteinei va fi sintetizată. O persoană cu această patologie va avea o lipsă de proteine și simptome asociate cu această lipsă. De exemplu, acest tip de mutație a fost găsit în gena care codifică lanțul beta al hemoglobinei. Se sintetizează un lanț de hemoglobină inactiv scurtat, care este distrus rapid. Ca rezultat, se formează o moleculă de hemoglobină lipsită de lanțul beta. Este clar că o astfel de moleculă este puțin probabil să își îndeplinească pe deplin îndatoririle. Apare o boală gravă, care se dezvoltă ca anemie hemolitică (talasemie beta-zero, din cuvântul grecesc „Talas” - Marea Mediterană, unde a fost descoperită prima dată această boală).
Mecanismul de acțiune al codonilor stop este diferit de cel al codonilor de sens. Acest lucru rezultă din faptul că s-au găsit tARN-urile corespunzătoare pentru toți codonii care codifică aminoacizii. Nu s-au găsit ARNt pentru codoni aiurea. În consecință, ARNt nu este implicat în procesul de oprire a sintezei proteinelor.
CodonAUG (uneori GUG la bacterii) nu numai că codifică aminoacidul metionină și valină, ci șiinițiator de difuzare .
b. Degenerare sau redundanță.
61 din 64 de triplete codifică 20 de aminoacizi. Un astfel de exces de trei ori al numărului de triplete față de numărul de aminoacizi sugerează că două opțiuni de codificare pot fi utilizate în transferul de informații. În primul rând, nu toți cei 64 de codoni pot fi implicați în codificarea a 20 de aminoacizi, ci doar 20 și, în al doilea rând, aminoacizii pot fi codificați de mai mulți codoni. Cercetările au arătat că natura a folosit această din urmă opțiune.
Preferința sa este evidentă. Dacă doar 20 din 64 de variante de triplete ar participa la codificarea aminoacizilor, atunci 44 de triplete (din 64) ar rămâne necodificate, adică fără sens (codoni aiurea). Anterior, am subliniat cât de periculoasă este transformarea tripletului de codificare ca rezultat al mutației într-un codon aiurea pentru viața celulei - acest lucru perturbă semnificativ funcționarea normală a ARN polimerazei, ducând în cele din urmă la dezvoltarea bolilor. În prezent, în genomul nostru, trei codoni nu au sens, dar acum imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă numărul de codoni aiurea ar crește de aproximativ 15 ori. Este clar că într-o astfel de situație tranziția codonilor normali la codoni aiurea va fi incomensurabil mai mare.
Un cod în care un aminoacid este codificat de mai multe triplete se numește degenerat sau redundant. Mai mulți codoni corespund aproape fiecărui aminoacid. Deci, aminoacidul leucină poate fi codificat de șase triplete - UUA, UUG, CUU, CUTS, CUA, CUG. Valina este codificată de patru triplete, fenilalanina de două și numai triptofan și metionină sunt codificate de un codon. Proprietatea care este asociată cu înregistrarea aceleiași informații cu simboluri diferite se numește degenerare.
Numărul de codoni atribuiți unui aminoacid se corelează bine cu frecvența de apariție a aminoacidului în proteine.
Și cel mai probabil acest lucru nu este întâmplător. Cu cât frecvența apariției unui aminoacid într-o proteină este mai mare, cu atât codonul acestui aminoacid este mai frecvent prezent în genom, cu atât este mai mare probabilitatea de deteriorare a acestuia de către factorii mutageni. Prin urmare, este clar că un codon mutant are șanse mai mari de a codifica același aminoacid, având în vedere degenerarea sa ridicată. Din aceste poziții, degenerescența codului genetic este un mecanism care protejează genomul uman de daune.
Trebuie remarcat faptul că termenul de degenerare este utilizat în genetică moleculară și într-un sens diferit. Deci, partea principală a informațiilor din codon cade pe primele două nucleotide, baza în a treia poziție a codonului este nesemnificativă. Acest fenomen se numește „a treia degenerare de bază”. Această din urmă caracteristică minimizează efectul mutațiilor. De exemplu, se știe că funcția principală a celulelor roșii din sânge este de a transporta oxigenul din plămâni către țesuturi și dioxidul de carbon din țesuturi către plămâni. Această funcție este îndeplinită de pigmentul respirator - hemoglobina, care umple întregul citoplasm al eritrocitului. Se compune dintr-o parte proteică - globină, care este codificată de gena corespunzătoare. În plus față de proteine, hemul care conține fier este inclus în molecula de hemoglobină. Mutațiile genelor globinei duc la apariția diferitelor variante de hemoglobină. Cel mai adesea, mutațiile sunt asociate cu înlocuirea unui nucleotid cu altul și apariția unui nou codon în genă, care poate codifica un nou aminoacid în lanțul polipeptidic al hemoglobinei. Într-un triplet, ca urmare a mutației, orice nucleotidă poate fi înlocuită - prima, a doua sau a treia. Se cunosc câteva sute de mutații care afectează integritatea genelor globinei. Despre 400 dintre acestea sunt asociate cu substituirea nucleotidelor unice în genă și substituirea corespunzătoare a aminoacizilor în polipeptidă. Dintre acestea, numai 100 substituțiile duc la instabilitatea hemoglobinei și la diferite tipuri de boli, de la ușoare la foarte severe. 300 (aproximativ 64%) mutații de substituție nu afectează funcția hemoglobinei și nu conduc la patologie. Unul dintre motivele pentru aceasta este „degenerescența celei de-a treia baze” menționată mai sus, când substituirea celui de-al treilea nucleotid în tripletul care codifică serina, leucina, prolina, arginina și alți aminoacizi duce la apariția unui codon sinonim. codificând același aminoacid. Fenotipic, această mutație nu va apărea. În schimb, orice substituție a primului sau celui de-al doilea nucleotid într-un triplet în 100% din cazuri duce la apariția unei noi variante de hemoglobină. Dar chiar și în acest caz, este posibil să nu existe tulburări fenotipice severe. Motivul pentru aceasta este înlocuirea unui aminoacid din hemoglobină cu altul similar cu primul din punct de vedere al proprietăților fizico-chimice. De exemplu, dacă un aminoacid cu proprietăți hidrofile este înlocuit cu un alt aminoacid cu aceleași proprietăți.
Hemoglobina este formată din grupul de fer porfirină al hemului (moleculele de oxigen și dioxid de carbon se atașează de acesta) și o proteină - globină. Hemoglobina adultă (HbA) conține două identice -lanturi si doua -lanţuri. Moleculă -lantul conține 141 reziduuri de aminoacizi, -lant - 146, - și Lanțurile β diferă în multe resturi de aminoacizi. Secvența de aminoacizi a fiecărui lanț de globină este codificată de propria genă. Codificare genică - lanțul este situat în brațul scurt al cromozomului 16, -genă - în brațul scurt al cromozomului 11. Substituție în codificarea genei - lanțul de hemoglobină al primului sau al doilea nucleotid duce aproape întotdeauna la apariția de noi aminoacizi în proteină, disfuncție a hemoglobinei și consecințe grave pentru pacient. De exemplu, înlocuirea „C” într-unul din tripletele CAU (histidina) cu „Y” va duce la apariția unui nou triplet al CAU, care codifică un aminoacid diferit - tirozina. Lanțul β al histidinei polipeptidice la tirozină va destabiliza hemoglobina. Boala dezvoltă methemoglobinemie. Înlocuirea, ca urmare a mutației, a acidului glutamic pentru valină în poziția a 6-a -lanturile sunt cauza celei mai grave boli - anemia falciforma. Să nu continuăm lista tristă. Observăm doar că atunci când primele două nucleotide sunt înlocuite, un aminoacid poate apărea similar în proprietăți fizico-chimice cu cel anterior. Deci, înlocuirea celui de-al doilea nucleotid într-unul din tripletele care codifică acidul glutamic (GAA) în -lantul cu „Y” duce la apariția unui nou triplet (GUA) care codifică valina, iar înlocuirea primului nucleotid cu „A” formează tripletul AAA care codifică aminoacizul lizină. Acidul glutamic și lizina sunt similare ca proprietăți fizico-chimice - ambele sunt hidrofile. Valina este un aminoacid hidrofob. Prin urmare, înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu valină hidrofobă modifică semnificativ proprietățile hemoglobinei, ceea ce duce în cele din urmă la dezvoltarea anemiei cu celule secera, în timp ce înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu lizina hidrofilă modifică funcția hemoglobinei într-o măsură mai mică - pacienții au o formă ușoară de anemie. Ca urmare a înlocuirii celei de-a treia baze, noul triplet poate codifica aceiași aminoacizi ca și precedentul. De exemplu, dacă uracilul a fost înlocuit cu citozină în tripletul CAC și a apărut tripletul CAC, atunci practic nu vor fi detectate modificări fenotipice la om. Acest lucru este de înțeles, deoarece ambele triplete codifică același aminoacid, histidina.
În concluzie, este adecvat să subliniem că degenerescența codului genetic și degenerescența celei de-a treia baze din punct de vedere biologic general sunt mecanisme de apărare care sunt încorporate în evoluție în structura unică a ADN-ului și ARN-ului.
v. Neambiguitate.
Fiecare triplet (cu excepția celor fără sens) codifică un singur aminoacid. Astfel, în direcția codonului - aminoacid, codul genetic nu este ambiguu, în direcția aminoacidului - codon, este ambiguu (degenerat).
Neambigu
Codon de aminoacizi
Degenerat
Și, în acest caz, este evidentă necesitatea lipsei de ambiguitate în codul genetic. Într-o altă variantă, în timpul traducerii aceluiași codon, s-ar introduce aminoacizi diferiți în lanțul proteic și, ca urmare, s-ar forma proteine cu structuri primare diferite și funcții diferite. Metabolismul celular ar trece la modul de operare „o singură genă - mai multe poipeptide”. Este clar că într-o astfel de situație funcția de reglare a genelor s-ar pierde complet.
Polaritate
Citirea informațiilor din ADN și din ARNm are loc doar într-o singură direcție. Polaritatea este esențială pentru identificarea structurilor de ordin superior (secundar, terțiar etc.). Am discutat mai devreme că structurile de ordin inferior definesc structurile de ordin superior. Structura terțiară și structurile de ordin superior din proteine se formează imediat de îndată ce catena ARN sintetizată se îndepărtează de molecula ADN sau catena polipeptidică se îndepărtează de ribozom. În timp ce capătul liber al unui ARN sau polipeptid capătă o structură terțiară, celălalt capăt al lanțului este încă sintetizat pe ADN (dacă ARN este transcris) sau ribozom (dacă este transcris un polipeptid).
Prin urmare, procesul unidirecțional de citire a informațiilor (în timpul sintezei de ARN și proteine) este esențial nu numai pentru determinarea secvenței de nucleotide sau aminoacizi din substanța sintetizată, ci pentru determinarea rigidă a secundarului, terțiarului etc. structuri.
e. Non-suprapunere.
Codul poate fi suprapus și non-suprapus. Majoritatea organismelor nu au coduri care se suprapun. Codul suprapus se găsește în unele faze.
Esența codului care nu se suprapune este că nucleotida unui codon nu poate fi simultan nucleotida unui alt codon. Dacă codul s-ar suprapune, atunci o secvență de șapte nucleotide (GCCHCUG) ar putea codifica nu doi aminoacizi (alanină-alanină) (Fig. 33, A), ca în cazul unui cod care nu se suprapune, ci trei (dacă unul nucleotida este comună) (Fig. 33, B) sau cinci (dacă două nucleotide sunt comune) (vezi Fig. 33, C). În ultimele două cazuri, o mutație a oricărui nucleotid ar duce la o întrerupere a secvenței a două, trei etc. aminoacizi.
Cu toate acestea, s-a constatat că o singură mutație nucleotidică perturbă întotdeauna includerea unui aminoacid în polipeptidă. Acesta este un motiv semnificativ pentru care codul nu se suprapune.
Să explicăm acest lucru în Figura 34. Liniile îndrăznețe arată tripletele care codifică aminoacizii în cazul codului care nu se suprapune și se suprapune. Experimentele au arătat fără echivoc că codul genetic nu se suprapune. Fără a intra în detaliile experimentului, observăm că, dacă înlocuim cel de-al treilea nucleotid din secvența nucleotidică (vezi Fig. 34)Avea (marcat cu un asterisc) pentru altul:
1. Cu un cod care nu se suprapune, proteina controlată de această secvență ar avea o substituție a unui (prim) aminoacid (marcat cu asteriscuri).
2. Cu un cod suprapus în opțiunea A, s-ar schimba doi (primul și al doilea) aminoacizi (marcați cu asteriscuri). În opțiunea B, înlocuirea ar fi afectat trei aminoacizi (marcați cu asteriscuri).
Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că atunci când o nucleotidă din ADN este perturbată, perturbările din proteină se referă întotdeauna la un singur aminoacid, care este caracteristic unui cod care nu se suprapune.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Alanine - Alanin Ala - Cis - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei
A B C
Cod care nu se suprapune Cod de suprapunere
Orez. 34. Schema care explică prezența codului care nu se suprapune în genom (explicație în text).
Non-suprapunerea codului genetic este asociată cu o altă proprietate - citirea informațiilor începe de la un anumit punct - semnalul de inițiere. Un astfel de semnal de inițiere în ARNm este codonul care codifică metionina AUG.
Trebuie remarcat faptul că o persoană are încă un număr mic de gene care se abat de la regula generalași se suprapun.
e. Compacitate.
Nu există semne de punctuație între codoni. Cu alte cuvinte, tripletele nu sunt separate unele de altele, de exemplu, de un nucleotid fără sens. Absența „semnelor de punctuație” în codul genetic a fost dovedită în experimente.
f. Versatilitate.
Codul este același pentru toate organismele care trăiesc pe Pământ. Dovezi directe universalitatea codului genetic a fost obținută prin compararea secvențelor ADN cu secvențele proteice corespunzătoare. S-a dovedit că aceleași seturi de valori de cod sunt utilizate în toate genomurile bacteriene și eucariote. Există excepții, dar nu multe.
Primele excepții de la universalitatea codului genetic s-au găsit în mitocondriile unor specii de animale. Aceasta se referea la codonul terminatorului UGA, care a fost citit în același mod cu codonul UGG care codifică aminoacidul triptofan. Au fost găsite alte abateri mai rare de la universalitate.
MH. Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în molecule de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță de secvențe de nucleotide în ADN sau ARN care formează codoni,
corespunzător aminoacizilor din proteină.Codul genetic are mai multe proprietăți.
Lectura 5. Cod genetic
Definiția conceptului
Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența aminoacizilor din proteine utilizând secvența aranjamentului nucleotidelor din ADN.
Deoarece ADN-ul nu participă direct la sinteza proteinelor, codul este scris în limbajul ARN. ARN conține uracil în loc de timină.
Proprietățile codului genetic
1. Triplet
Fiecare aminoacid este codificat ca o secvență de 3 nucleotide.
Definiție: triplet sau codon - o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid.
Codul nu poate fi singlet, deoarece 4 (numărul de nucleotide diferite din ADN) este mai mic de 20. Codul nu poate fi dublet, deoarece 16 (numărul combinațiilor și permutațiilor a 4 nucleotide cu 2) este mai mic de 20. Codul poate fi triplet, deoarece 64 (numărul de combinații și permutări de la 4 la 3) este mai mare de 20.
2. Degenerarea.
Toți aminoacizii, cu excepția metioninei și triptofanului, sunt codificați de mai multe triplete:
2 AK 1 triplet = 2.
9 AK 2 triplete = 18.
1 AK 3 triplete = 3.
5 AK 4 triplete = 20.
3 AK 6 triplete = 18.
Un total de 61 de triplete codifică 20 de aminoacizi.
3. Prezența semnelor de punctuație intergenice.
Definiție:
Gene este o bucată de ADN care codifică un lanț polipeptidic sau o moleculă tPHK, rARN sausPHK.
GeneletPHK, rPHK, sPHKproteinele nu codifică.
La sfârșitul fiecărei gene care codifică o polipeptidă se află cel puțin una dintre cele trei triplete care codifică codoni de oprire ARN sau semnale de oprire. În ARNm, arată astfel: UAA, UAG, UGA ... Ele pun capăt emisiunii.
În mod convențional, codonul se referă și la semne de punctuație AUG - primul după secvența lider. (Vezi Lectura 8) Funcționează ca o literă mare. În această poziție, codifică formilmetionina (în procariote).
4. Neambiguitate.
Fiecare triplet codifică doar un aminoacid sau este un terminator de traducere.
Excepția este codonul AUG ... În procariote, în prima poziție (majusculă), codifică formilmetionina și în orice altă - metionină.
5. Compacitatea sau absența semnelor de punctuație intragenice.
În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon de semnificație.
În 1961, Seymour Benzer și Francis Crick au demonstrat experimental că codul este triplet și compact.
Esența experimentului: mutația "+" - inserarea unui nucleotid. Mutația „-” este pierderea unui nucleotid. O singură mutație "+" sau "-" la începutul unei gene strică întreaga genă. O dublă mutație "+" sau "-" strică, de asemenea, întreaga genă.
O mutație triplă "+" sau "-" la începutul unei gene strică doar o parte din ea. O mutație cvadruplă "+" sau "-" strică din nou întreaga genă.
Experimentul demonstrează asta codul este complicat și nu există semne de punctuație în interiorul genei. Experimentul a fost efectuat pe două gene fagice adiacente și a arătat, în plus, prezența semnelor de punctuație între gene.
6. Versatilitate.
Codul genetic este același pentru toate creaturile care trăiesc pe Pământ.
În 1979 a deschis Burrell ideal codul mitocondriilor umane.
Definiție:
„Ideal” este un cod genetic în care se îndeplinește regula degenerescenței codului cvasi-dublet: Dacă primele două nucleotide coincid în două triplete, iar al treilea nucleotid aparține aceleiași clase (ambele sunt purine sau ambele sunt pirimidine) , atunci aceste triplete codifică același aminoacid ...
Există două excepții de la această regulă în codul generic. Ambele abateri de la codul ideal din universal se referă la punctele fundamentale: începutul și sfârșitul sintezei proteinelor:
Codon | universal cod | Coduri mitocondriale |
|||
Vertebrate | Nevertebrate | Drojdie | Plantele |
||
STOP | STOP |
||||
Cu UA | |||||
A G A | STOP | ||||
STOP | 230 substituții nu modifică clasa aminoacidului codificat. la capacitatea de rupere. În 1956, Georgy Gamow a propus o variantă a codului care se suprapune. Conform codului Gamow, fiecare nucleotidă, începând de la a treia din genă, este inclusă în 3 codoni. Când codul genetic a fost descifrat, s-a dovedit că nu se suprapunea, adică fiecare nucleotidă este inclusă într-un singur codon. Avantajele codului genetic suprapus: compactitate, dependență mai mică a structurii proteinei de inserția sau deleția nucleotidelor. Dezavantaj: dependență ridicată a structurii proteinei de substituția nucleotidică și restricție asupra vecinilor. În 1976, ADN-ul fagului φX174 a fost secvențiat. Are un ADN circular monocatenar de 5375 nucleotide. Se știa că fagul codifică 9 proteine. Pentru 6 dintre ele, au fost identificate gene care sunt localizate una după alta. S-a dovedit că există suprapuneri. Gena E se află complet în genă D ... Codonul său de inițiere apare ca rezultat al unei schimbări de citire a unui nucleotid. Gene J începe de unde se termină gena D ... Codon de pornire genică J se suprapune cu codonul de terminare al genei D ca urmare a unei deplasări a două nucleotide. Construcția este numită "deplasare cadru de citire" de un număr de nucleotide care nu este un multiplu de trei. Până în prezent, suprapunerea a fost afișată doar pentru câțiva fagi. Capacitatea de informare ADN 6 miliarde de oameni trăiesc pe Pământ. Informații ereditare despre ele 4x10 13 pagini de carte. Aceste pagini ar ocupa volumul a 6 clădiri NSU. 6x10 9 spermatozoizii ocupă jumătate din degetar. ADN-ul lor ocupă mai puțin de un sfert de degetar. | ||||
