Predavanje 5. Genetski kod
Definicija pojma
Genetski kod je sistem za bilježenje informacija o sekvenci aminokiselina u proteinima pomoću sekvence rasporeda nukleotida u DNK.
Budući da DNA nije izravno uključena u sintezu proteina, kod je napisan na RNA jeziku. RNK sadrži uracil umjesto timina.
Osobine genetskog koda
1. Triplet
Svaka aminokiselina kodirana je kao sekvenca od 3 nukleotida.
Definicija: triplet ili kodon - sekvenca od tri nukleotida koja kodira jednu aminokiselinu.
Kod ne može biti singlet, jer je 4 (broj različitih nukleotida u DNK) manji od 20. Kod se ne može udvostručiti, jer 16 (broj kombinacija i permutacija 4 nukleotida za 2) manji je od 20. Kôd može biti trostruki, jer 64 (broj kombinacija i permutacija od 4 do 3) veći je od 20.
2. Degeneracija.
Sve aminokiseline, s izuzetkom metionina i triptofana, kodirane su u više od tripleta:
2 AK 1 triplet \u003d 2.
9 AK 2 trojke \u003d 18.
1 AK 3 trojke \u003d 3.
5 AK 4 trojke \u003d 20.
3 AK 6 trojki \u003d 18.
Ukupno 61 trojka kodira 20 aminokiselina.
3. Prisustvo intergenih interpunkcijskih znakova.
Definicija:
Gene je dio DNK koji kodira jedan polipeptidni lanac ili jedan molekul tPHK, rRNA ilisPHK.
GenitPHK, rPHK, sPHK proteini se ne kodiraju.
Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 tripleta koji kodiraju RNA stop kodone ili stop signale. U mRNA izgledaju ovako:UAA, UAG, UGA ... Oni prekidaju (završavaju) emitiranje.
Uobičajeno, kodon se odnosi i na interpunkcijske znakoveAUG - prva nakon sekvence vođe. (Vidi predavanje 8) Funkcionira kao veliko slovo. U ovom položaju šifrira formilmetionin (u prokarionima).
4. Jednoznačnost.
Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator prevođenja.
Izuzetak je kodonAUG ... Kod prokariota, na prvom mjestu (veliko slovo) kodira formilmetionin, a na bilo kojem drugom - metionin.
5. Kompaktnost ili odsustvo intragenih interpunkcijskih znakova.
Unutar gena, svaki nukleotid je dio značenja kodona.
Godine 1961., Seymour Benzer i Francis Crick eksperimentalno su dokazali da je kod trostruki i kompaktan.
Suština eksperimenta: "+" mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija je gubitak jednog nukleotida. Jedna "+" ili "-" mutacija na početku gena kvari čitav gen. Dvostruka mutacija + ili - takođe kvari čitav gen.
Trostruka "+" ili "-" mutacija na početku gena kvari samo njegov dio. Četverostruka mutacija + ili - ponovo kvari čitav gen.
Eksperiment to dokazuje kod je zeznut i unutar gena nema interpunkcijskih znakova.Eksperiment je izveden na dva susjedna gena faga i pokazao je, pored toga, prisustvo interpunkcijskih znakova između gena.
6. Svestranost.
Genetski kod je isti za sva bića koja žive na Zemlji.
1979. Burrell je otvoren idealno kod mitohondrija čovjeka.
Definicija:
"Idealno" je genetski kod u kojem je ispunjeno pravilo degeneracije kvazi-dubleta: Ako se prva dva nukleotida podudaraju u dva tripleta, a treći nukleotidi pripadaju istoj klasi (oba su purini ili su oba pirimidini), tada ti tripleti kodiraju istu aminokiselinu ...
Postoje dva izuzetka od ovog pravila u generičkom kodu. Oba odstupanja od idealnog koda u univerzalnom odnose se na temeljne tačke: početak i kraj sinteze proteina:
Codon | Univerzalni kod | Mitohondrijski kodovi |
|||
Kičmenjaci | Beskičmenjaci | Kvasac | Biljke |
||
STOP | STOP |
||||
Sa UA | |||||
A G A | STOP | ||||
STOP | 230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline. do kidanja. Georgy Gamow je 1956. godine predložio varijantu preklapajućeg koda. Prema Gamowovom kodu, svaki nukleotid, počevši od trećeg u genu, uključen je u 3 kodona. Kada je dešifriran genetski kod, pokazalo se da se on ne preklapa, tj. svaki nukleotid je uključen u samo jedan kodon. Prednosti preklapajućeg genetskog koda: kompaktnost, manja ovisnost strukture proteina o umetanju ili deleciji nukleotida. Nedostatak: velika ovisnost strukture proteina o supstituciji nukleotida i restrikcija o susjedima. 1976. sekvencirana je DNK faga φX174. Ima jednolančanu kružnu DNK od 5375 nukleotida. Bilo je poznato da fag kodira 9 proteina. Za njih 6 identificirani su geni koji se nalaze jedan za drugim. Ispostavilo se da postoji preklapanje. Gen E je potpuno unutar genaD ... Njegov inicijacijski kodon rezultat je pomaka očitavanja od jednog nukleotida. GeneJ započinje tamo gdje gen završavaD ... Inicijacijski kodon genaJ preklapa se sa terminalnim kodonom genaD kao rezultat pomaka dva nukleotida. Konstrukcija se naziva "pomak okvira za čitanje" brojem nukleotida koji nije višestruki od tri. Do danas se preklapanje pokazalo za samo nekoliko faga. Kapacitet DNK informacija Na Zemlji živi 6 milijardi ljudi. Nasljedne informacije o njima 4x10 13 stranica knjiga. Ove stranice zauzimale bi obim 6 zgrada NSU-a. 6x10 9 spermija zauzima polovinu naprstka. Njihova DNK zauzima manje od četvrtine naprstka. | ||||
DNA i RNA nukleotidi
|
Codon - triplet nukleotida koji kodiraju određenu aminokiselinu. |
| tab. 1. Aminokiseline koje se obično nalaze u proteinima | |
| Ime | Skraćena oznaka |
| 1. Alanin | Ala |
| 2. Arginin | Arg |
| 3. Asparagin | Asn |
| 4. Asparaginska kiselina | Asp |
| 5. Cistein | Cys |
| 6. Glutaminska kiselina | Glu |
| 7. Glutamin | Gln |
| 8. Glicin | Gly |
| 9. Histidin | Njegov |
| 10. Izolevcin | Ile |
| 11. Leucin | Leu |
| 12. Lizin | Lys |
| 13. Metionin | Met |
| 14. Fenilalanin | Phe |
| 15. Prolin | Pro |
| 16. Serije | Ser |
| 17. Treonin | Thr |
| 18. Triptofan | Trp |
| 19. Tirozin | Tyr |
| 20. Valine | Val |
Genetski kod, koji se naziva i aminokiselinski kod, sistem je za bilježenje informacija o sekvenci lokacije aminokiselina u proteinu pomoću sekvence lokacije nukleotidnih ostataka u DNK, koji sadrže jednu od 4 azotne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T). Međutim, budući da dvolančana DNK spirala nije izravno uključena u sintezu proteina kodiranog jednim od ovih lanaca (tj. RNA), kod je napisan na jeziku RNA, koji uključuje uracil (U) umjesto timina. Iz istog razloga, uobičajeno je reći da je kod slijed nukleotida, a ne par nukleotida.
Genetski kod predstavljen je određenim kodnim riječima - kodonima.
Prvu kodnu riječ dešifrirali su Nirenberg i Mattei 1961. Dobili su ekstrakt iz E. coli koji sadrži ribosome i druge faktore neophodne za sintezu proteina. Rezultat je bio bezćelijski sistem za sintezu proteina, koji je mogao sakupljati protein iz aminokiselina ako je u medij dodana potrebna mRNA. Dodavanjem sintetičke RNK koja se sastoji samo od uracila u medij, otkrili su da je nastao protein koji se sastoji samo od fenilalanina (polifenilalanina). Tako je utvrđeno da triplet UUU nukleotida (kodon) odgovara fenilalaninu. U narednih 5-6 godina utvrđeni su svi kodoni genetskog koda.
Genetski kod je vrsta rječnika koji prevodi tekst napisan u četiri nukleotida u proteinski tekst napisan u 20 aminokiselina. Ostatak aminokiselina koji se nalaze u proteinu su modifikacije jedne od 20 aminokiselina.
Osobine genetskog koda
Genetski kod ima sljedeća svojstva.
- Trostrukost - svaka aminokiselina odgovara tripletu nukleotida. Lako je izračunati da postoje 4 3 \u003d 64 kodona. Od toga je 61 semantičko, a 3 su besmislene (prestanak, stop kodoni).
- Kontinuitet (bez razdvajanja znakova između nukleotida) - nema intragenih interpunkcijskih znakova;
Unutar gena, svaki nukleotid je dio značenja kodona. 1961. god. Seymour Benzer i Francis Crick eksperimentalno su dokazali trostrukost koda i njegov kontinuitet (kompaktnost) [pokazati]
Suština eksperimenta: "+" mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija je gubitak jednog nukleotida.
Jedna mutacija ("+" ili "-") na početku gena ili dvostruka mutacija ("+" ili "-") - kvare čitav gen.
Trostruka mutacija ("+" ili "-") na početku gena oštećuje samo dio gena.
Četverostruka mutacija + ili - ponovo kvari čitav gen.
Eksperiment je izveden na dva susjedna gena faga i pokazao je to
- kod je trostruki i unutar gena nema interpunkcijskih znakova
- postoje interpunkcijski znakovi između gena
- Prisustvo intergenih interpunkcijskih znakova - prisustvo inicijacijskih kodona među trojkama (s njima započinje biosinteza proteina), kodona - terminatora (označavaju kraj biosinteze proteina);
Uobičajeno, AUG kodon, prvi nakon vodeće sekvence, takođe pripada interpunkcijskim znakovima. Djeluje kao veliko slovo. U ovom položaju šifrira formilmetionin (u prokarionima).
Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 stop kodona ili stop signala: UAA, UAG, UGA. Oni prekidaju emitovanje.
- Kolinearnost - korespondencija linearne sekvence mRNA kodona i aminokiselina u proteinu.
- Specifičnost - svaka aminokiselina odgovara samo određenim kodonima koji se ne mogu koristiti za drugu aminokiselinu.
- Jednosmjernost - kodoni se čitaju u jednom smjeru - od prvog nukleotida do sljedećeg
- Degeneracija ili suvišnost, - jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko tripleta (aminokiseline - 20, moguće trojke - 64, 61 od njih su semantičke, to jest, u prosjeku svaka aminokiselina odgovara oko 3 kodona); izuzetak su metionin (Met) i triptofan (Trp).
Razlog degeneracije koda je taj što glavno semantičko opterećenje nose prva dva nukleotida u tripletu, a treći nije toliko važan. Odavde pravilo degeneracije koda : ako dva kodona imaju dva identična prva nukleotida, a njihovi treći nukleotidi pripadaju istoj klasi (purin ili pirimidin), tada kodiraju istu aminokiselinu.
Međutim, postoje dva izuzetka od ovog idealnog pravila. Ovo je AUA kodon, koji ne bi trebao odgovarati izoleucinu, već metioninu, i UGA kodon, koji je terminator, dok bi trebao odgovarati triptofanu. Izrođenost koda očito ima adaptivno značenje.
- Svestranost - sva gore navedena svojstva genetskog koda karakteristična su za sve žive organizme.
Codon Univerzalni kod Mitohondrijski kodovi Kičmenjaci Beskičmenjaci Kvasac Biljke UGA STOP Trp Trp Trp STOP AUA Ile Met Met Met Ile CUA Leu Leu Leu Thr Leu AGA Arg STOP Ser Arg Arg AGG Arg STOP Ser Arg Arg Nedavno je princip univerzalnosti koda poljuljan u vezi s otkrićem Berella 1979. godine idealnog koda za ljudske mitohondrije u kojem je ispunjeno pravilo degeneracije koda. U mitohondrijskom kodu, UGA kodon odgovara triptofanu, a AUA odgovara metioninu, kako zahtijeva pravilo degeneracije koda.
Možda su na početku evolucije svi najjednostavniji organizmi imali isti kod kao i mitohondriji, a zatim su prošli manja odstupanja.
- Ne preklapaju se - svaka od tripleta genetskog teksta nezavisna je jedna od druge, jedan nukleotid je uključen u samo jedan triplet; Na sl. pokazuje razliku između preklapajućeg i nepreklapajućeg koda.
1976. god. DNK faga φX174 je sekvencirana. Ima jednolančanu kružnu DNK od 5375 nukleotida. Bilo je poznato da fag kodira 9 proteina. Za njih 6 identificirani su geni koji se nalaze jedan za drugim.
Ispostavilo se da postoji preklapanje. Gen E je u potpunosti unutar gena D. Njegov inicijacijski kodon pojavljuje se kao rezultat pomaka očitavanja za jedan nukleotid. J gen započinje tamo gdje završava gen D. J početni kodon se preklapa s krajnjim kodonom D dvostrukim pomicanjem. Konstrukcija se naziva "pomak okvira za čitanje" brojem nukleotida koji nije višestruki od tri. Do danas se preklapanje pokazalo za samo nekoliko faga.
- Imunitet - omjer broja konzervativnih supstitucija i broja radikalnih supstitucija.
Mutacije nukleotidnih supstitucija koje ne dovode do promjene klase kodirane aminokiseline nazivaju se konzervativnim. Supstitucijske nukleotidne mutacije koje dovode do promjene klase kodirane aminokiseline nazivaju se radikalnim.
Budući da se ista aminokiselina može kodirati različitim trojkama, neke zamjene u trojcima ne dovode do zamjene kodirane aminokiseline (na primjer, UUU -\u003e UUC ostavlja fenilalanin). Neke supstitucije mijenjaju aminokiselinu u drugu iz iste klase (nepolarne, polarne, bazične, kisele), druge supstitucije mijenjaju klasu aminokiselina.
U svakom tripletu može se izvršiti 9 pojedinačnih zamjena, tj. možete odabrati koji od položaja mijenjamo - postoje tri načina (1. ili 2. ili 3.), a odabrano slovo (nukleotid) može se promijeniti u 4-1 \u003d 3 ostala slova (nukleotidi). Ukupan broj mogućih supstitucija nukleotida je 61 sa 9 \u003d 549.
Izravnim brojanjem iz tablice genetskog koda možemo se uvjeriti da od njih: 23 nukleotidne supstitucije dovode do pojave kodona - terminatora translacije. 134 supstitucije ne mijenjaju kodiranu aminokiselinu. 230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline. 162 supstitucije dovode do promjene klase aminokiselina, tj. su radikalni. Od 183 supstitucije 3. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora translacije, a 176 je konzervativno. Od 183 supstitucije 1. nukleotida, 9 dovodi do pojave terminatora, 114 je konzervativno, a 60 radikalno. Od 183 supstitucije 2. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora, 74 su konzervativne, 102 radikalne.
Seriju članaka koji opisuju porijeklo Građanskog zakonika možemo smatrati istragom događaja o kojima imamo vrlo mnogo tragova. Međutim, za razumijevanje ovih članaka potrebno je malo truda da bi se razumjeli molekularni mehanizmi sinteze proteina. Ovaj je članak uvodni članak za seriju auto-publikacija posvećenih porijeklu genetskog koda i najbolje je mjesto za započinjanje upoznavanja s ovom temom.
Obično genetski kod (HA) je definiran kao metoda (pravilo) kodiranja proteina na primarnoj strukturi DNA ili RNA. U literaturi je najčešće zapisano da se radi o pojedinačnoj korespondenciji niza od tri nukleotida u genu sa jednom aminokiselinom u sintetiziranom proteinu ili mjestu na kojem sinteza proteina završava. Međutim, u ovoj definiciji postoje dvije pogreške. To znači 20, takozvane kanonske aminokiseline, koje su dio proteina svih živih organizama bez izuzetka. Ove aminokiseline su proteinski monomeri. Greške su sljedeće:
1) Kanoničke aminokiseline nisu 20, već samo 19. Aminokiselinu možemo nazvati supstancom koja istovremeno sadrži amino skupinu -NH2 i karboksilnu grupu - COOH. Činjenica je da proteinski monomer, prolin, nije aminokiselina, jer sadrži imino skupinu umjesto amino grupe, pa je ispravnije prolin nazivati \u200b\u200bimino kiselinom. Međutim, u budućnosti ću u svim člancima posvećenim HA-u zbog praktičnosti napisati oko 20 aminokiselina, implicirajući ovu nijansu. Strukture aminokiselina prikazane su na sl. jedan.
Slika: 1. Strukture kanonskih aminokiselina. Aminokiseline imaju stalne dijelove, označene crnom bojom, a promjenjive (ili radikale) crvene.
2) Korespondencija aminokiselina sa kodonima nije uvijek jednoznačna. Pogledajte dolje za nedvosmislene prekršaje slučajeva.
Pojava HA znači pojavu kodirane sinteze proteina. Ovaj događaj je jedan od ključnih događaja za evolucijsku formaciju prvih živih organizama.
Struktura HA prikazana je u kružnom obliku na sl. 2.
Slika: 2. Genetski kod u kružnom obliku. Unutarnji krug je prvo slovo kodona, drugokrug - drugo slovo kodona, treći krug je treće slovo kodona, četvrti krug je oznaka aminokiselina u troslovnoj skraćenici; P - polarne aminokiseline, NP - nepolarne aminokiseline. Za jasnoću simetrije važan je odabrani redoslijed simbola.U - C - A - G.
Počnimo s opisivanjem glavnih svojstava HA.
1. Trostrukost. Svaka aminokiselina kodirana je kao sekvenca od tri nukleotida.
2. Prisustvo intergenih interpunkcijskih znakova.Intergenični interpunkcijski znakovi odnose se na sekvence nukleinskih kiselina na kojima prijevod započinje ili završava.
Prijevod Ne mogu započeti s bilo kojeg kodona, već samo sa strogo određenog - počinjati... Početni kodon uključuje AUG triplet, od kojeg započinje prijevod. U ovom slučaju, ovaj triplet kodira ili metionin ili drugu aminokiselinu - formilmetionin (u prokarionima), koji se mogu uključiti samo na početku sinteze proteina. Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid nalazi se najmanje jedan od 3 završni kodoni, ili stop svjetla: UAA, UAG, UGA. Oni prekidaju prijevod (ovo je naziv sinteze proteina na ribosomu).
3. Kompaktnost ili nedostatak intragenih interpunkcijskih znakova.Unutar gena, svaki nukleotid je dio značenja kodona.
4. Ne preklapaju se. Kodoni se ne preklapaju jedni s drugima, svaki ima svoje uređene skupove nukleotida, koji se ne preklapaju sa sličnim skupovima susjednih kodona.
5. Degeneracija. Obrnuto mapiranje u smjeru aminokiselina-kodon je dvosmisleno. Ovo svojstvo naziva se degeneracija. Serije je skup kodona koji kodiraju jednu aminokiselinu, drugim riječima, ovo je grupa ekvivalentni kodoni... Zamislimo kodon kao XYZ. Ako XY definira "značenje" (tj. Aminokiselina), tada se poziva kodon jaka... Ako je za određivanje značenja kodona potreban određeni Z, tada se takav kodon naziva slaba.
Izrođenost koda usko je povezana s dvosmislenošću uparivanja kodon-antikodon (antikodon znači slijed od tri nukleotida na tRNA, koji se mogu komplementarno upariti s kodonom na glasničkoj RNA (vidi dva članka za više detalja o tome: Molekularni mehanizmi degeneracije koda i Lagerkvistova vladavina. Fizičko-kemijska potkrijepljenost simetrija i Rumer-ovi odnosi). Jedan antikodon po tRNA može prepoznati jedan do tri kodona po mRNA.
6. Jednoznačnost.Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator prevođenja i.
Poznata su tri izuzetka.
Prvo. Kod prokariota, na prvom položaju (veliko slovo) kodira formilmetionin, a na bilo kojem drugom položaju metionin.Na početku gena formilmetionin kodira i uobičajeni metionin kodon AUG, ali i valin kodon GUG ili leucin UUG, koji se nalaze u genskom kodu za valin i leucin. ...
U mnogim proteinima formil metionin se odcijepi ili ukloni formilna skupina, što rezultira time da se formil metionin pretvori u obični metionin.
Sekunda. 1986. nekoliko grupa istraživača odjednom je otkrilo da na mRNA zaustavni kodon UGA može kodirati selenocistein (vidi sliku 3), pod uslovom da ga prati posebna sekvenca nukleotida.
Slika: 3. Struktura 21. aminokiseline - selenocisteina.
Imati E. coli (ovo je latinski naziv za Escherichia coli) selenocisteil-tRNA u procesu prevođenja i prepoznaje UGA kodon u mRNA, ali samo u određenom kontekstu: za prepoznavanje UGA kodona kao značajnog važan je slijed od 45 nukleotida u dužini koji se nalazi nakon UGA kodona.
Razmatrani primjer pokazuje da, ako je potrebno, živi organizam može promijeniti značenje standardnog genetskog koda. U ovom slučaju, genetske informacije sadržane u genima kodiraju se na složeniji način. Značenje kodona definirano je u kontekstu e sa određenim produženim nukleotidnim nizom i uz učešće nekoliko visoko specifičnih proteinskih faktora. Važno je da je selenocisteinska tRNA pronađena u predstavnicima sve tri grane života (arheje, eubakterije i eukarioti), što ukazuje na drevnost porijekla sinteze selenocisteina, a možda i na njegovo prisustvo čak i kod posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka (o čemu će biti riječi u drugim člancima). Najvjerovatnije se selenocistein nalazi u svim živim organizmima bez izuzetka. Ali u svakom pojedinačnom organizmu, selenocistein se nalazi ne više nego u paru proteina. Dio je aktivnih centara enzima, u brojnim homologima kojih obični cistein može funkcionirati na sličnom položaju.
Do nedavno se mislilo da se UGA kodon može čitati ili kao selenocistein ili kao terminal, ali nedavno se pokazalo da kod cilija Euplotes UGA kodon kodira ili cistein ili selenocistein. Cm. " Genetski kod dopušta odstupanja "
Treći izuzetak. U nekim prokarionima (5 vrsta arheja i jedna eubakterija - podaci na Wikipediji su vrlo zastarjeli) postoji posebna kiselina - pirolizin (slika 4). Kodiran je UAG trojkom, koji u kanonskom kodu služi kao terminator za prijevod i. Pretpostavlja se da se u ovom slučaju, poput slučaja sa kodiranjem selenocisteina, očitavanje UAG kao pirolizinskog kodona događa zbog posebne strukture na mRNA. Pirolizinska tRNA sadrži antikodon CTA i aminoacilirana je APCase klase 2 (za klasifikaciju APCase pogledajte članak "Kodaze pomažu da se shvati kako genetski kod ").
UAG se rijetko koristi kao stop kodon, a ako se koristi, često ga slijedi drugi stop kodon.
Slika: 4. Struktura 22. aminokiseline pirolizina.
7. Svestranost. Nakon što je dekodiranje GC završeno sredinom 60-ih godina prošlog vijeka, dugo se vjerovalo da je kod svih organizama jednak, što ukazuje na jedinstvo porijekla cijelog života na Zemlji.
Pokušajmo shvatiti zašto je HA univerzalna. Činjenica je da bi, ako bi se u tijelu promijenilo barem jedno pravilo kodiranja, to dovelo do činjenice da se promijenila struktura značajnog dijela proteina. Takva promjena bila bi previše drastična i stoga gotovo uvijek smrtonosna, jer promjena u značenju samo jednog kodona može utjecati u prosjeku na 1/64 svih aminokiselinskih sekvenci.
Iz toga slijedi jedna vrlo važna ideja - GC se gotovo nije promijenio od svog formiranja prije više od 3,5 milijarde godina. To znači da njegova struktura nosi trag svog porijekla, a analiza ove strukture može pomoći u razumijevanju kako bi točno GC mogao nastati.
U stvari, HA se može malo razlikovati u bakterijama, mitohondrijima i nuklearnom kodu nekih cilijasa i kvasca. Trenutno postoji najmanje 17 genetskih kodova koji se od kanonskog razlikuju za 1-5 kodona.Ukupno se u svim poznatim varijantama odstupanja od univerzalnog HA koristi 18 različitih supstitucija u značenju kodona. Većina odstupanja od standardnog koda poznata je za mitohondrije - 10. Važno je napomenuti da su mitohondriji kičmenjaka, ravnih crva, iglokožaca kodirani različitim kodovima, a kalupi, protozoe i koelenterati kodirani jednim.
Evolucijska blizina vrsta nikako nije garancija da imaju slične HA. Genetski kodovi mogu se razlikovati čak i kod različitih vrsta mikoplazmi (neke vrste imaju kanonski kod, dok su druge različite). Slična situacija se primjećuje i kod kvasca.
Važno je napomenuti da su mitohondriji potomci simbiotskih organizama koji su se prilagodili životu unutar ćelija. Imaju jako smanjeni genom; neki geni su se preselili u staničnu jezgru. Stoga promjene u HA u njima više nisu toliko dramatične.
Kasnije otkriveni izuzeci su od posebnog interesa iz evolucijske perspektive, jer mogu pomoći u rasvjetljavanju kako se kod razvijao.
Tabela 1.
Mitohondrijski kodovi u različitim organizmima.
Codon | Univerzalni kod | Mitohondrijski kodovi |
|||
Kičmenjaci | Beskičmenjaci | Kvasac | Biljke |
||
UGA | STOP | Trp | Trp | Trp | STOP |
AUA | Ile | Met | Met | Met | Ile |
CUA | Leu | Leu | Leu | Thr | Leu |
AGA | Arg | STOP | Ser | Arg | Arg |
AGG | Arg | STOP | Ser | Arg | Arg |
Tri mehanizma za promjenu aminokiseline kodirane kodom.
Prvo je kada neki kodon neki organizam ne koristi (ili ga gotovo nikada ne koristi) zbog neravnomjerne pojave nekih nukleotida (GC-sastav) ili kombinacija nukleotida. Kao rezultat, takav kodon može potpuno nestati iz upotrebe (na primjer, zbog gubitka odgovarajuće tRNA), a kasnije se može koristiti za kodiranje druge aminokiseline bez nanošenja značajne štete na tijelu. Ovaj mehanizam je vjerovatno odgovoran za pojavu nekih dijalekata kodova u mitohondrijima.
Druga je transformacija stop kodona u značenje jajne stanice. U ovom slučaju, neki dodaci mogu se pojaviti u nekim prevedenim proteinima. Međutim, situaciju djelomično spašava činjenica da mnogi geni često završavaju ne s jednim, već s dva stop kodona, jer su moguće greške u prijevodu i kod kojih se stop kodoni čitaju kao aminokiseline.
Treće, moguće je da se određeni kodoni čitaju dvosmisleno, kao što je slučaj kod nekih gljivica.
8 . Povezivost. Pozvane su grupe ekvivalentnih kodona (tj. Kodona koji kodiraju istu aminokiselinu) u nizu... HA sadrži 21 seriju, uključujući stop kodone. U nastavku će se, sa sigurnošću, nazvati bilo koja grupa kodona povezan, ako je iz svakog kodona ove grupe moguće uzastopnim nukleotidnim supstitucijama preći na sve ostale kodone iste grupe. Od 21 serije, povezanih je 18. Dvije serije sadrže po jedan kodon, a samo 1 serija za aminokiselinski serin je odvojena i razdvaja se u dvije dvije povezane podserije.
Slika: 5. Grafikoni povezivanja za neke serije kodova. a - koherentni niz valina; b - povezana serija leucina; serija serina je nesuvisla, dijeli se u dvije povezane podserije. Brojka je preuzeta iz članka V.A. Ratner " Genetski kod kao sistem ".
Svojstvo povezanosti može se objasniti činjenicom da je tokom perioda formiranja HA zarobila nove kodone koji su se minimalno razlikovali od već korištenih.
9. Regularnost svojstva aminokiselina na korijenima trojki. Sve aminokiseline kodirane trojkama snopa U su nepolarne, nisu ekstremnih svojstava i veličina i imaju alifatske radikale. Sve trojke s korijenom C imaju jake baze, a aminokiseline koje kodiraju su relativno male. Sve trojke s korijenom A imaju slabe baze i kodiraju polarne aminokiseline ne malih veličina. Kodone sa G korijenom karakteriziraju ekstremne i abnormalne varijante aminokiselina i serija. Oni kodiraju najmanju aminokiselinu (glicin), najdužu i najravniju (triptofan), najdužu i „kvrgavu“ (arginin), najaktivniju (cistein) i čine abnormalnu seriju serina.
10. Blockiness. Univerzalni GK je "blok" kod. To znači da aminokiseline sa sličnim fizičko-kemijskim svojstvima kodiraju kodoni koji se međusobno razlikuju po jednoj bazi. Blokiranost koda je jasno vidljiva na sljedećoj slici.
Slika: 6. Blok struktura Građanskog zakonika. Aminokiseline s alkilnom skupinom označene su bijelom bojom.
Slika: 7. Prikaz boja fizičkih i hemijskih svojstava aminokiselina na osnovu vrijednosti opisanih u knjiziStacionari "Biochemistry"... Lijevo - hidrofobnost. S desne strane je sposobnost stvaranja alfa zavojnice u proteinu. Crvena, žuta i plava boja predstavljaju aminokiseline sa visokom, srednjom i niskom hidrofobnošću (lijevo) ili odgovarajućim stepenom sposobnosti stvaranja alfa-zavojnice (desno).
Svojstvo blokade i pravilnosti može se objasniti i činjenicom da je HA tokom perioda formiranja zarobljavao nove kodone koji su se minimalno razlikovali od već korištenih.
Kodoni sa istim prvim bazama (kodonski prefiksi) kodiraju aminokiseline sa sličnim biosintetskim putevima. Kodoni aminokiselina koji pripadaju porodicama šikimata, piruvata, aspartata i glutamata imaju prefikse sa U, G, A i C, redom. O putovima drevne biosinteze aminokiselina i njihovoj povezanosti sa svojstvima modernog koda, pogledajte "Drevni dublet genetski kod bio je unaprijed određen putovima za sintezu aminokiselina. "Na temelju tih podataka neki istraživači zaključuju da su na stvaranje koda u velikoj mjeri utjecali biosintetski odnosi između aminokiselina. Međutim, sličnost biosintetskih putova ne znači sličnost fizičkih i kemijskih svojstava.
11. Imunizacija buke. U svom najopštijem obliku, imunost na HA znači da se u slučaju slučajnih mutacija tačaka i grešaka u prevođenju fizičko-kemijska svojstva aminokiselina ne mijenjaju previše.
Supstitucija jednog nukleotida u tripletu u većini slučajeva ili ne dovodi do supstitucije kodirane aminokiseline, ili dovodi do supstitucije aminokiseline s istim polaritetom.
Jedan od mehanizama koji osigurava imunitet HA na buku je njegova degeneracija. Prosječna degeneracija jednaka je - broju kodiranih signala / ukupnom broju kodona, gdje kodirani signali uključuju 20 aminokiselina i znak završetka prevođenja i. Prosječna degeneracija svih aminokiselina i terminacijskog znaka je tri kodona po kodiranom signalu.
Da bismo kvantificirali imunost na buku, uvodimo dva pojma. Pozvane su mutacije nukleotidnih supstitucija koje ne dovode do promjene klase kodirane aminokiseline konzervativan. Zovu se mutacije supstitucije nukleotida koje dovode do promjene klase kodirane aminokiseline radikalan .
Svaka trojka dopušta 9 pojedinačnih zamjena. Postoji 61 trojka koja kodira aminokiseline, pa je broj mogućih supstitucija nukleotida za sve kodone
61 x 9 \u003d 549. Od toga:
23 supstitucije nukleotida rezultiraju stop kodonima.
134 supstitucije ne mijenjaju kodiranu aminokiselinu.
230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline.
162 supstitucije dovode do promjene klase aminokiselina, tj. su radikalni.
Od 183 treće nukleotidne supstitucije, 7 rezultira prevodnim terminatorima i, i 176 je sačuvano.
Od 183 supstitucije 1. nukleotida, 9 dovodi do pojave terminatora, 114 je konzervativno, a 60 radikalno.
Od 183 supstitucije 2. nukleotida, 7 dovodi do pojave terminatora, 74 su konzervativne, 102 radikalne.
Na osnovu ovih proračuna dobit ćemo kvantitativnu procjenu imunosti koda kao omjer broja konzervativnih zamjena i broja radikalnih zamjena. Jednako je 364/162 \u003d 2,25
U stvarnoj procjeni doprinosa degeneracije imunosti na buku, potrebno je uzeti u obzir učestalost pojave aminokiselina u proteinima, koja varira kod različitih vrsta.
Koji je razlog imunosti koda? Većina istraživača vjeruje da je ovo svojstvo posljedica odabira alternativnih HA.
Stephen Freeland i Lawrence Hirst generirali su slučajne takve kodove i otkrili da samo jedan od stotinu alternativnih kodova nema ništa manje otpornosti na buku od univerzalnog GC.
Još zanimljivija činjenica otkrivena je kada su ovi istraživači uveli dodatno ograničenje kako bi se uzeli u obzir stvarni trendovi u prirodi mutacije DNK i pojava grešaka u prevođenju i. Pod takvim uvjetima, SAMO JEDAN KOD OD MILIJUNA MOGUĆIH bio je bolji od kanonskog koda.
Takva vitalnost genetičkog koda bez presedana najlakše se objašnjava činjenicom da je nastao kao rezultat prirodne selekcije. Možda su u jednom trenutku u biološkom svijetu postojali mnogi kodovi, svaki sa svojom osjetljivošću na greške. Organizam koji se bolje nosio s njima imao je veće šanse za preživljavanje, a kanonski zakonik jednostavno je pobijedio u borbi za egzistenciju. Ova pretpostavka izgleda sasvim stvarna - uostalom, znamo da alternativni kodovi postoje. Za više detalja o imunosti na buku, vidi Kodirana evolucija (S. Freeland, L. Hirst "Kodirana evolucija". // U svijetu nauke. - 2004., br. 7).
U zaključku predlažem da izbrojim broj mogućih genetskih kodova koji se mogu generirati za 20 kanonskih aminokiselina. Iz nekog razloga mi ovaj broj nigdje nije naišao. Dakle, moramo imati 20 aminokiselina i signal za zaustavljanje kodiran BAR JEDNIM KODOM u generiranom HA.
Mentalno ćemo numerirati kodone po nekom redoslijedu. Argumentirat ćemo na sljedeći način. Ako imamo tačno 21 kodon, tada će svaka aminokiselina i signal zaustavljanja zauzeti točno jedan kodon. U ovom slučaju, bit će 21 mogući GC!
Ako postoje 22 kodona, tada se pojavljuje dodatni kodon, koji može imati jedno od bilo koja 21 značenja ov, a ovaj kodon se može nalaziti na bilo kojem od 22 mjesta, dok ostatak kodona ima tačno jedno drugačije značenje y, kao u slučaju 21 kodona. Tada dobivamo broj kombinacija 21! X (21x22).
Ako postoje 23 kodona, onda raspravljajući slično, nalazimo da 21 kodon ima tačno jedno različito značenje s (21! Varijante), a dva kodona imaju 21 različito značenje a (21 2 značenja s sa FIKSNIM položajem ovih kodona). Broj različitih položaja za ova dva kodona bit će 23x22. Ukupan broj HA varijanti za 23 kodona je 21! X21 2 x23x22
Ako postoje 24 kodona, tada će broj HA biti 21! X21 3 x24x23x22, ...
....................................................................................................................
Ako postoji 64 kodona, tada će broj mogućih GC-ova biti 21! X21 43 x64! / 21! \u003d 21 43 x64! ~ 9,1x10 145
Pod genetskim kodom uobičajeno je razumjeti takav sistem znakova koji označava sekvencijalni raspored nukleotidnih spojeva u DNK i RNK, što odgovara drugom znakovnom sistemu koji prikazuje sekvencu aminokiselinskih spojeva u molekuli proteina.
Važno je!
Kada su naučnici uspjeli proučiti svojstva genetskog koda, univerzalnost je prepoznata kao jedna od glavnih. Da, koliko god čudno zvučalo, sve je ujedinjeno jednim, univerzalnim, zajedničkim genetskim kodom. Nastao je u dugom vremenskom intervalu, a proces je završio prije oko 3,5 milijardi godina. Slijedom toga, u strukturi koda mogu se pratiti tragovi njegove evolucije, od trenutka nastanka do danas.
Kada govorimo o redoslijedu rasporeda elemenata u genetskom kodu, mislimo da je on daleko od kaotičnog, ali ima strogo definiran redoslijed. A ovo takođe u velikoj mjeri određuje svojstva genetskog koda. To je ekvivalentno rasporedu slova i slogova u riječima. Neophodno je prekršiti uobičajeni redoslijed, a većina onoga što pročitamo na stranicama knjiga ili novina pretvorit će se u smiješno lupetanje.
Glavna svojstva genetskog koda
Obično kôd nosi neke informacije šifrirane na poseban način. Da biste dešifrirali kôd, morate znati karakteristike.
Dakle, glavna svojstva genetskog koda su:
- trostrukost;
- degeneracija ili suvišnost;
- jednoznačnost;
- kontinuitet;
- već spomenuta univerzalnost.
Zadržimo se na svakom svojstvu detaljnije.
1. Triplet
To je kada tri spoja nukleotida tvore sekvencijalni lanac unutar molekula (tj. DNA ili RNA). Kao rezultat, stvara se triplet spoj ili kodira jednu od aminokiselina, njegovo mjesto u peptidnom lancu.
Razlikujte kodone (oni su ujedno i kodne riječi!) Po redoslijedu povezanosti i vrsti onih azotnih spojeva (nukleotida) koji su dio njih.
U genetici je uobičajeno razlikovati 64 tipa kodona. Mogu formirati kombinacije četiri vrste nukleotida, po 3 u svakoj. To je ravno podizanju broja 4 na treću stepen. Tako se mogu stvoriti 64 kombinacije nukleotida.
2. Suvišnost genetskog koda
Ovom svojstvu se može pratiti kada je za šifriranje jedne aminokiseline potrebno nekoliko kodona, obično u rasponu od 2-6. A samo se triptofan može kodirati pomoću jednog tripleta.
3. Jednoznačnost
Uključen je u svojstva genetskog koda kao pokazatelj zdravog genetskog nasljeđa. Na primjer, triplet GAA, koji je na šestom mjestu u lancu, može liječnicima reći o dobrom stanju krvi, o normalnom hemoglobinu. On je taj koji nosi informacije o hemoglobinu i on ih također kodira. A ako je osoba bolesna s anemijom, jedan od nukleotida zamjenjuje se drugim slovom koda - Y, što je signal bolesti.
4. Kontinuitet
Prilikom bilježenja ovog svojstva genetskog koda, treba imati na umu da se kodoni, kao karike lanca, ne nalaze na daljinu, već u neposrednoj blizini, jedan za drugim u lancu nukleinske kiseline, i taj lanac nije prekinut - nema ni početka ni kraja.
5. Svestranost
Nikada ne treba zaboraviti da je sve na Zemlji ujedinjeno zajedničkim genetskim kodom. I zato, u primata i osobe, u insektu i ptici, stogodišnjem baobabu i vlatu trave koji se jedva izvlače ispod zemlje, slične aminokiseline kodiraju iste trojke.
U genima se polažu osnovne informacije o svojstvima organizma, svojevrsni program koji organizam nasljeđuje od onih koji su ranije živjeli i koji postoji kao genetski kod.
- objedinjeni sistem za bilježenje nasljednih informacija u molekulima nukleinske kiseline u obliku niza nukleotida. Genetski kod zasnovan je na upotrebi abecede koja se sastoji od samo četiri slova-nukleotida, a razlikuju se u azotnim bazama: A, T, G, C.
Glavna svojstva genetskog koda su sljedeća:
1. Genetski kod je triplet. Triplet (kodon) - niz od tri nukleotida koji kodira jednu aminokiselinu. Budući da proteini sadrže 20 aminokiselina, očito je da svaka od njih ne može biti kodirana jednim nukleotidom (budući da u DNK postoje samo četiri vrste nukleotida, u ovom slučaju 16 aminokiselina ostaje nekodirano). Nedostaju i dva nukleotida za kodiranje aminokiselina, jer se u ovom slučaju može kodirati samo 16 aminokiselina. To znači da ispada da je najmanji broj nukleotida koji kodiraju jednu aminokiselinu tri. (U ovom slučaju, broj mogućih trojki nukleotida je 4 3 \u003d 64).
2. Prekomjernost (degeneracija) koda posljedica je njegove trojnosti i znači da se jedna aminokiselina može kodirati s nekoliko trojki (jer postoji 20 aminokiselina i 64 trojke). Izuzetak su metionin i triptofan koji su kodirani samo jednim tripletom. Pored toga, neke trojke imaju specifične funkcije. Dakle, u molekuli mRNA, tri od njih, UAA, UAH i UGA, su završni kodoni, tj. Zaustavni signali koji zaustavljaju sintezu polipeptidnog lanca. Triplet koji odgovara metioninu (AUG), smješten na početku lanca DNK, ne kodira aminokiselinu, već obavlja funkciju inicijacije (pobude) čitanja.
3. Istovremeno sa redundantnošću, kod ima svojstvo jednoznačnosti, što znači da svaki kodon odgovara samo jednoj određenoj aminokiselini.
4. Šifra je kolinearna; sekvenca nukleotida u genu tačno se podudara sa sekvencom aminokiselina u proteinu.
5. Genetski kod se ne preklapa i kompaktan je, odnosno ne sadrži "interpunkcijske znakove". To znači da postupak čitanja ne dozvoljava mogućnost preklapanja stupaca (trojki) i, počevši od određenog kodona, očitavanje se nastavlja kontinuirano, trostruko za trostrukim, sve do zaustavnih signala (završni kodoni). Na primjer, u mRNA, sljedeći slijed azotnih baza AUGGUGTSUUAAUGUG čitati će samo takve trojke: AUG, GUG, CUU, AAU, GUG, a ne AUG, UGG, GGU, GUG itd. Ili AUG, GGU, UGC, CUU itd. ili na neki drugi način (na primjer, kodon AUG, interpunkcijski znak G, kodon UGC, interpunkcijski znak U itd.).
6. Genetski kod je univerzalan, odnosno nuklearni geni svih organizama kodiraju informacije o proteinima na isti način, bez obzira na nivo organizacije i sistematski položaj tih organizama.
