COD GENETIC, o metodă de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide care formează acești acizi. O anumită secvență de nucleotide din ADN și ARN corespunde unei anumite secvențe de aminoacizi din lanțurile polipeptidice ale proteinelor. Este obișnuit să scrieți codul folosind majuscule din limba rusă sau alfabet latin. Fiecare nucleotidă este desemnată prin litera cu care începe denumirea bazei azotate incluse în molecula sa: A (A) - adenină, G (G) - guanină, C (C) - citozină, T (T) - timină; în ARN, în loc de timină, uracilul este U (U). Fiecare este codificat de o combinație de trei nucleotide - un triplet sau codon. Pe scurt, calea transferului de informații genetice este rezumată în așa-numitul. Dogma centrală a biologiei moleculare: proteina ADN ` ARN f.
În cazuri speciale, informațiile pot fi transferate de la ARN la ADN, dar niciodată de la proteine la gene.
Implementarea informațiilor genetice se realizează în două etape. În nucleul celular, informațional sau matrice, ARN-ul (transcripția) este sintetizat pe ADN. În acest caz, secvența de nucleotide ADN este „rescrisă” (recodificată) în secvența de nucleotide ARNm. Apoi ARNm trece în citoplasmă, se atașează de ribozom și pe acesta, ca pe o matrice, este sintetizat (traducere) lanțul polipeptidic al proteinei. Aminoacizii sunt atașați la lanțul în construcție folosind ARN de transfer într-o secvență determinată de ordinea nucleotidelor din ARNm.
Din patru „litere” puteți forma 64 de „cuvinte” diferite de trei litere (codoni). Din cei 64 de codoni, 61 codifică aminoacizi specifici și trei sunt responsabili pentru finalizarea sintezei lanțului polipeptidic. Deoarece există 61 de codoni la 20 de aminoacizi care alcătuiesc proteinele, unii aminoacizi sunt codificați de mai mult de un codon (așa-numita degenerare a codului). Această redundanță crește fiabilitatea codului și întregul mecanism de biosinteză a proteinelor. O altă proprietate a codului este specificitatea (neambiguitatea): un codon codifică doar un aminoacid.
În plus, codul nu se suprapune - informațiile sunt citite într-o direcție secvenţial, triplet cu triplet. Cea mai uimitoare proprietate a codului este universalitatea sa: este aceeași pentru toate ființele vii - de la bacterii la oameni (excepția este cod genetic mitocondrii). Oamenii de știință văd acest lucru ca o confirmare a conceptului că toate organismele descind dintr-un strămoș comun.
Descifrarea codului genetic, adică determinarea „sensului” fiecărui codon și a regulilor după care se citesc informațiile, a fost efectuată în 1961–1965. și este considerată una dintre cele mai izbitoare realizări ale biologiei moleculare.
COD GENETIC, sistem de înregistrare a informațiilor ereditare sub forma unei secvențe de baze nucleotidice din moleculele de ADN (la unele viruși - ARN), care determină structura primară (locația resturilor 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 funcțiile enzimelor (principiul „o genă - o enzimă” de J. Beadle și E. Tatem, 1941) și că există o dependență a structurii și activității spațiale a unei proteine de structura sa primară (F. Sanger, 1955). Întrebarea modului în care combinațiile de 4 baze de acid nucleic determină alternanța a 20 de reziduuri comune de aminoacizi în polipeptide a fost pusă pentru prima dată de G. Gamow în 1954.
Pe baza unui experiment în care au studiat interacțiunile inserțiilor și delețiilor unei perechi de nucleotide într-una dintre genele bacteriofagului T4, F. Crick și alți oameni de știință au determinat în 1961 proprietățile generale ale codului genetic: tripletitatea, adică, fiecare rest de aminoacid din lanțul polipeptidic corespunde unui set de trei baze (triplet sau codon) din ADN-ul unei gene; codonii dintr-o genă sunt citiți dintr-un punct fix, într-o direcție și „fără virgule”, adică codonii nu sunt separați prin niciun semn unul de celălalt; degenerare sau redundanță - același reziduu 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 capacității de codare a tripleților a fost continuat folosind un sistem de sinteză a proteinelor fără celule sub controlul ARN mesager sintetic (ARNm). Până 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 într-o celulă are loc în timpul a două procese matrice - transcripție și traducere. Mediatorul dintre genă și proteină este ARNm, care se formează în timpul transcripției pe una dintre catenele de ADN. În acest caz, secvența de baze ADN, care poartă informații despre structura primară a proteinei, este „rescrisă” sub forma unei secvențe de baze de ARNm. Apoi, în timpul translației pe ribozomi, secvența de nucleotide a ARNm este citită de ARN-uri de transfer (ARNt). Acestea din urmă au un capăt acceptor, la care este atașat un rest de aminoacid și un capăt adaptor, sau triplet anticodon, care recunoaște codonul ARNm corespunzător. Interacțiunea unui codon și a unui anti-codon are loc pe baza împerecherii de baze complementare: Adenină (A) - Uracil (U), Guanină (G) - Citozină (C); în acest caz, secvența de baze a ARNm este tradusă în secvența de aminoacizi a proteinei sintetizate. Organisme diferite folosesc codoni sinonimi diferiți cu frecvențe diferite pentru același aminoacid. Citirea ARNm care codifică lanțul polipeptidic începe (inițiază) cu codonul AUG corespunzător aminoacidului metionină. Mai rar, la procariote, codonii de inițiere sunt GUG (valină), UUG (leucină), AUU (izoleucină), iar la eucariote - UUG (leucină), AUA (izoleucină), ACG (treonină), CUG (leucină). Aceasta stabilește așa-numitul cadru, sau fază, de citire în timpul translației, adică atunci întreaga secvență de nucleotide 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 tripleți duce la finalizarea sintezei lanțului polipeptidic.
Codonii AUG și stop apar la începutul și, respectiv, la sfârșitul regiunilor ARNm care codifică polipeptidele.
Codul genetic este cvasi-universal. Aceasta înseamnă că există ușoare variații în sensul unor codoni între obiecte, iar acest lucru se aplică în primul rând codonilor terminatori, care pot fi semnificativi; de exemplu, în mitocondriile unor eucariote și micoplasme, UGA codifică triptofan. În plus, în unele ARNm de bacterii și eucariote, UGA codifică un aminoacid neobișnuit - selenocisteină și UAG într-una dintre arhebacterii - pirolizina.
Există un punct de vedere conform căruia codul genetic a apărut întâmplător (ipoteza „înghețată șansă”). Este mai probabil să fi evoluat. Această presupunere este susținută de existența unei versiuni mai simple și, aparent, mai vechi a codului, care se citește în mitocondrii conform regulii „două din trei”, când aminoacidul este determinat de doar două din cele trei baze. în triplet.
Lit.: Crick F. N. a. O. Natura generală a codului genetic pentru proteine // Nature. 1961. Vol. 192; Codul genetic. N.Y., 1966; Ichas M. Cod biologic. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Cum este citit codul genetic: reguli și excepții // Știința naturală modernă. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. Codul genetic ca sistem // Jurnal educațional Soros. 2000. T. 6. Nr. 3.
S. G. Inge-Vechtomov.
Anterior, am subliniat că nucleotidele au o caracteristică importantă pentru formarea vieții pe Pământ - în prezența unui lanț polinucleotid într-o soluție, procesul de formare a unui al doilea lanț (paralel) are loc spontan pe baza conexiunii complementare a nucleotidelor înrudite. . Același număr de nucleotide în ambele lanțuri și afinitatea lor chimică sunt o condiție indispensabilă pentru implementarea acestui tip de reacție. Cu toate acestea, în timpul sintezei proteinelor, când informațiile din ARNm sunt implementate în structura proteinei, nu se poate vorbi despre respectarea principiului complementarității. Acest lucru se datorează faptului că în ARNm și în proteina sintetizată nu numai numărul de monomeri este diferit, ci și, ceea ce este deosebit de important, nu există nicio asemănare structurală între ei (nucleotide pe de o parte, aminoacizi pe de altă parte. ). Este clar că în acest caz este nevoie de a crea un nou principiu pentru traducerea cu precizie a informațiilor dintr-o polinucleotidă în structura unei polipeptide. În evoluție, un astfel de principiu a fost creat și baza lui a fost codul genetic.
Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN, formând codoni corespunzători aminoacizilor dintr-o proteină.
Codul genetic are mai multe proprietăți.
Tripletate.
Degenerare sau redundanță.
Neambiguitate.
Polaritate.
Nesuprapunere.
Compactitate.
Versatilitate.
De remarcat că unii autori propun și alte proprietăți ale codului legate de caracteristici chimice incluse în codul nucleotidelor sau cu frecvența de apariție a aminoacizilor individuali în proteinele organismului etc. Cu toate acestea, aceste proprietăți decurg din cele enumerate mai sus, așa că le vom lua în considerare acolo.
A. Tripletate. Codul genetic, ca multe sisteme organizate complex, are cea mai mică unitate structurală și cea mai mică unitate funcțională. Un triplet este cea mai mică unitate structurală a codului genetic. Este format din trei nucleotide. Un codon este cea mai mică unitate funcțională a codului genetic. De obicei, tripleții de ARNm sunt numiți codoni. În codul genetic, un codon îndeplinește mai multe funcții. În primul rând, funcția sa principală este aceea de a codifica un singur aminoacid. În al doilea rând, codonul poate să nu codifice pentru un aminoacid, dar, în acest caz, îndeplinește o altă funcție (vezi mai jos). După cum se poate vedea din definiție, un triplet este un concept care 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 ei a fost confirmată experimental. Într-adevăr, 20 de aminoacizi nu pot fi codificați cu una sau două nucleotide deoarece dintre acestea din urmă sunt doar 4. Trei din patru nucleotide dau 4 3 = 64 de variante, ceea ce acoperă mai mult decât numărul de aminoacizi disponibili în organismele vii (vezi Tabelul 1).
Cele 64 de combinații de nucleotide prezentate în tabel au două caracteristici. În primul rând, dintre cele 64 de variante triplete, doar 61 sunt codoni și codifică orice aminoacid, ele sunt numite codoni de sens. Trei tripleți nu codifică
Tabelul 1.
Codoni ARN mesager și aminoacizi corespunzători
|
FUNDAȚIA KODONOV |
|||||
|
Prostii |
Prostii |
||||
|
Prostii | |||||
|
Meth |
|||||
|
Arbore |
|||||
aminoacizii a sunt semnale de oprire care indică sfârșitul translației. Există trei astfel de tripleți - UAA, UAG, UGA, ele sunt numite și „fără sens” (codoni aiurea). Ca rezultat al unei mutații, care este asociată cu înlocuirea unei nucleotide într-un triplet cu altul, un codon nonsens poate apărea dintr-un codon sens. Acest tip de mutație se numește mutație aiurea. Dacă un astfel de semnal de oprire se formează în interiorul genei (în partea sa de informații), atunci în timpul sintezei proteinelor în acest loc, procesul va fi întrerupt constant - va fi sintetizată doar prima parte a proteinei (înainte de semnalul de oprire). O persoană cu această patologie va experimenta o lipsă de proteine și va experimenta simptome asociate cu această deficiență. De exemplu, acest tip de mutație a fost identificat în gena care codifică lanțul beta al hemoglobinei. Se sintetizează un lanț scurt de hemoglobină inactiv, care este distrus rapid. Ca rezultat, se formează o moleculă de hemoglobină lipsită de lanț beta. Este clar că este puțin probabil ca o astfel de moleculă să-și îndeplinească pe deplin sarcinile. Apare o boală gravă, care se dezvoltă în funcție de tip anemie hemolitică(talasemie beta-zero, din cuvântul grecesc „Thalas” – Marea Mediterană, unde a fost descoperită prima dată această boală).
Mecanismul de acțiune al codonilor stop diferă de mecanismul de acțiune al codonilor de sens. Acest lucru rezultă din faptul că pentru toți codonii care codifică aminoacizi, s-au găsit ARNt-uri corespunzătoare. Nu s-au găsit ARNt pentru codonii nonsens. În consecință, ARNt nu ia parte la procesul de oprire a sintezei proteinelor.
CodonAUG (uneori GUG în bacterii) nu numai că codifică aminoacizii metionină și valină, dar sunt șiinițiator de difuzare .
b. Degenerare sau redundanță.
61 din cei 64 de tripleți codifică 20 de aminoacizi. Acest exces de trei ori al numărului de tripleți față de numărul de aminoacizi sugerează că pot fi utilizate două opțiuni de codare în transferul de informații. În primul rând, nu toți cei 64 de codoni pot fi implicați în codificarea a 20 de aminoacizi, dar numai 20 și, în al doilea rând, aminoacizii pot fi codificați de mai mulți codoni. Cercetările au arătat că natura a folosit această ultimă opțiune.
Preferința lui este evidentă. Dacă din 64 de tripleți variante doar 20 ar fi implicați în codificarea aminoacizilor, atunci 44 de tripleți (din 64) ar rămâne necodificatori, adică. fără sens (codoni aiurea). Anterior, am subliniat cât de periculos este pentru viața unei celule să transforme un triplet de codare ca urmare a unei mutații într-un codon fără sens - acest lucru perturbă semnificativ funcționarea normală a ARN polimerazei, ducând în cele din urmă la dezvoltarea bolilor. În prezent, trei codoni din genomul nostru sunt o prostie, dar acum imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă numărul de codoni nonsens ar crește de aproximativ 15 ori. Este clar că într-o astfel de situație tranziția codonilor normali la codoni nonsens va fi nemăsurat mai mare.
Un cod în care un aminoacid este codificat de mai multe triplete se numește degenerat sau redundant. Aproape fiecare aminoacid are mai mulți codoni. Astfel, aminoacidul leucina poate fi codificat de șase tripleți - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valina este codificată de patru tripleți, fenilalanina de două și numai triptofan și metionină codificat de un codon. Proprietatea care este asociată cu înregistrarea aceleiași informații cu simboluri diferite este numită degenerare.
Numărul de codoni desemnați pentru un aminoacid se corelează bine cu frecvența de apariție a aminoacidului în proteine.
Și cel mai probabil acest lucru nu este întâmplător. Cu cât frecvența de apariție a unui aminoacid într-o proteină este mai mare, cu atât codonul acestui aminoacid este mai des reprezentat 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 o șansă mai mare de a codifica același aminoacid dacă este foarte degenerat. Din această perspectivă, degenerarea codului genetic este un mecanism care protejează genomul uman de deteriorare.
Trebuie remarcat faptul că termenul de degenerare este folosit în genetica moleculară într-un alt sens. Astfel, cea mai mare parte a informațiilor dintr-un codon este conținută în primele două nucleotide; baza din poziția a treia a codonului se dovedește a fi de mică importanță. Acest fenomen se numește „degenerarea bazei a treia”. Ultima caracteristică minimizează efectul mutațiilor. De exemplu, se știe că funcția principală a globulelor roșii este de a transporta oxigenul de la plămâni la țesuturi și dioxidul de carbon de la țesuturi la plămâni. Această funcție este îndeplinită de pigmentul respirator - hemoglobina, care umple întreaga citoplasmă a eritrocitei. Este format dintr-o parte proteică - globină, care este codificată de gena corespunzătoare. Pe lângă proteine, molecula de hemoglobină conține hem, care conține fier. Mutațiile genelor globinei duc la apariția diferitelor variante de hemoglobine. Cel mai adesea, mutațiile sunt asociate cu înlocuirea unei nucleotide cu alta 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. Sunt cunoscute câteva sute de mutații care afectează integritatea genelor globinei. Aproape 400 dintre care sunt asociate cu înlocuirea unui singur nucleotid într-o genă și înlocuirea corespunzătoare a aminoacizilor într-o polipeptidă. Dintre acestea numai 100 înlocuirile duc la instabilitatea hemoglobinei și diferite tipuri de boli de la ușoare până la foarte severe. 300 (aproximativ 64%) mutații de substituție nu afectează funcția hemoglobinei și nu duc la patologie. Unul dintre motivele pentru aceasta este „degenerarea bazei a treia” menționată mai sus, când o înlocuire a celei de-a treia nucleotide într-un triplet care codifică serină, leucină, prolină, arginină și alți alți aminoacizi duce la apariția unui codon sinonim. care codifică același aminoacid. O astfel de mutație nu se va manifesta fenotipic. În schimb, orice înlocuire a primei sau celei de-a doua nucleotide 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 în proprietăți fizico-chimice. De exemplu, dacă un aminoacid cu proprietăți hidrofile este înlocuit cu un alt aminoacid, dar cu aceleași proprietăți.
Hemoglobina este formată din grupul porfirinei de fier de hem (moleculele de oxigen și dioxid de carbon sunt atașate la acesta) și proteine - globină. Hemoglobina adultă (HbA) conține două identice -lanturi si doua -lanţuri. Moleculă - lanțul conține 141 de resturi de aminoacizi, -lanț - 146, - Și -lanţurile diferă în multe resturi de aminoacizi. Secvența de aminoacizi a fiecărui lanț de globină este codificată de propria sa genă. Codificarea genelor - lanțul este situat în brațul scurt al cromozomului 16, -genă - în brațul scurt al cromozomului 11. Substituție în codificarea genei -lantul hemoglobinei din primul sau al doilea nucleotid duce aproape intotdeauna la aparitia de noi aminoacizi in proteina, perturbarea functiilor hemoglobinei si consecinte grave pentru pacient. De exemplu, înlocuirea „C” într-unul dintre tripleții CAU (histidină) cu „Y” va duce la apariția unui nou triplet UAU, care codifică un alt aminoacid - tirozină. Fenotipic, aceasta se va manifesta într-o boală severă.. A înlocuire similară în poziția 63 -lantul polipeptidei histidinei la tirozina va duce la destabilizarea hemoglobinei. Se dezvoltă boala methemoglobinemie. Înlocuirea, ca urmare a mutației, a acidului glutamic cu valină în poziția a 6-a -lantul este cauza celei mai severe boli - drepanemia. Să nu continuăm lista tristă. Să remarcăm doar că la înlocuirea primelor două nucleotide, poate apărea un aminoacid proprietati fizice si chimice similar cu cel precedent. Astfel, înlocuirea celei de-a doua nucleotide într-unul dintre tripleții care codifică acidul glutamic (GAA) în -lanțul cu „U” duce la apariția unui nou triplet (GUA), care codifică valina, iar înlocuirea primei nucleotide cu „A” formează tripletul AAA, care codifică aminoacidul 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 falciforme, în timp ce înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu lizină hidrofilă schimbă funcția hemoglobinei într-o măsură mai mică - pacienții dezvoltă 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 în tripletul CAC uracilul a fost înlocuit cu citozină și a apărut un triplet CAC, atunci practic nu vor fi detectate modificări fenotipice la om. Acest lucru este de înțeles, pentru că ambele triplete codifică același aminoacid – histidina.
În concluzie, este oportun să subliniem că degenerarea codului genetic și degenerarea bazei a treia din punct de vedere biologic general sunt mecanisme de protecție care sunt inerente evoluției în structura unică a ADN-ului și ARN-ului.
V. Neambiguitate.
Fiecare triplet (cu excepția prostiilor) codifică doar un aminoacid. Astfel, în direcția codon - aminoacid codul genetic este lipsit de ambiguitate, în direcția aminoacid - codon este ambiguu (degenerat).
Fără ambiguitate
Codonul aminoacidului
Degenerat
Și în acest caz, necesitatea lipsei de ambiguitate în codul genetic este evidentă. Într-o altă opțiune, la traducerea aceluiași codon, în lanțul proteic ar fi inserați diferiți aminoacizi și, ca urmare, s-ar forma proteine cu structuri primare diferite și funcții diferite. Metabolismul celular ar trece la modul de operare „o genă – mai multe polipeptide”. Este clar că într-o astfel de situație funcția de reglare a genelor s-ar pierde complet.
g. Polaritatea
Citirea informațiilor din ADN și ARNm are loc doar într-o singură direcție. Polaritatea are important pentru a determina structuri de ordin superior (secundar, terțiar etc.). Mai devreme am vorbit despre modul în care structurile de ordin inferior determină structurile de ordin superior. Structura și structurile terțiare mai mult ordin înaltîn proteine, ele se formează imediat de îndată ce lanțul de ARN sintetizat părăsește molecula de ADN sau lanțul polipeptidic părăsește ribozomul. Când capătul liber al unui ARN sau polipeptidă devine structura tertiara, celălalt capăt al lanțului continuă să fie sintetizat pe ADN (dacă ARN-ul este transcris) sau ribozom (dacă o polipeptidă este transcrisă).
Prin urmare, procesul unidirecțional de citire a informațiilor (în timpul sintezei ARN-ului și proteinei) este esențial nu numai pentru determinarea secvenței nucleotidelor sau aminoacizilor din substanța sintetizată, ci și pentru determinarea strictă a secundare, terțiare etc. structurilor.
d. Nesuprapunere.
Codul poate fi suprapus sau fără suprapunere. Majoritatea organismelor au un cod care nu se suprapune. Codul care se suprapune se găsește în unele fagi.
Esența unui cod care nu se suprapun este că o nucleotidă a unui codon nu poate fi simultan o nucleotidă a altui codon. Dacă codul s-ar suprapune, atunci secvența de șapte nucleotide (GCUGCUG) ar putea codifica nu doi aminoacizi (alanina-alanina) (Fig. 33, A) ca în cazul unui cod care nu se suprapun, ci trei (dacă există o nucleotidă în comun) (Fig. 33, B) sau cinci (dacă două nucleotide sunt comune) (vezi Fig. 33, C). În ultimele două cazuri, o mutație a oricărei nucleotide ar duce la o încălcare a secvenței de doi, trei etc. aminoacizi.
Cu toate acestea, s-a stabilit că o mutație a unei nucleotide perturbă întotdeauna includerea unui aminoacid într-o polipeptidă. Acesta este un argument semnificativ că codul nu se suprapune.
Să explicăm acest lucru în Figura 34. Liniile aldine arată tripleți care codifică aminoacizi în cazul codului care nu se suprapun și se suprapune. Experimentele au arătat în mod clar că codul genetic nu se suprapune. Fără a intra în detalii ale experimentului, observăm că dacă înlocuiți a treia nucleotidă din secvența de nucleotide (vezi Fig. 34)U (marcat cu un asterisc) la altceva:
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, ar avea loc o substituție în doi (primul și al doilea) aminoacizi (marcați cu asteriscuri). În cadrul opțiunii B, înlocuirea ar afecta trei aminoacizi (marcați cu asteriscuri).
Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că atunci când o nucleotidă din ADN este întreruptă, întreruperea proteinei afectează întotdeauna doar un aminoacid, ceea ce este tipic pentru un cod care nu se suprapune.
GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG
GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU
*** *** *** *** *** ***
Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley
A B C
Cod care nu se suprapune Cod care nu se suprapune
Orez. 34. O diagramă care explică prezența unui cod care nu se suprapune în genom (explicație în text).
Nesuprapunerea codului genetic este asociată cu o altă proprietate - citirea informațiilor începe dintr-un anumit punct - semnalul de inițiere. Un astfel de semnal de inițiere în ARNm este codonul care codifică metionina AUG.
Trebuie remarcat faptul că oamenii au încă un număr mic de gene care deviază de la regula generalași se suprapun.
e. Compactitate.
Nu există semne de punctuație între codoni. Cu alte cuvinte, tripleții nu sunt separați unul de celălalt, de exemplu, printr-o singură nucleotidă fără sens. Absența „semnelor de punctuație” în codul genetic a fost dovedită în experimente.
și. Versatilitate.
Codul este același pentru toate organismele care trăiesc pe Pământ. Dovada directă a universalității codului genetic a fost obținută prin compararea secvențelor de ADN cu secvențele de proteine corespunzătoare. S-a dovedit că toți genomii bacterieni și eucarioți folosesc aceleași seturi de valori de cod. Sunt excepții, dar nu multe.
Primele excepții de la universalitatea codului genetic s-au găsit în mitocondriile unor specii de animale. Aceasta se referă la codonul terminator UGA, care se citește la fel ca codonul UGG, care codifică aminoacidul triptofan. Au fost găsite și alte abateri mai rare de la universalitate.
MZ. Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN care formează codoni,
corespunzător aminoacizilor din proteine.Codul genetic are mai multe proprietăți.
Astăzi nu este un secret pentru nimeni că programul de viață al tuturor organismelor vii este scris pe o moleculă de ADN. Cel mai simplu mod de a imagina o moleculă de ADN este ca o scară lungă. Stâlpii verticali ai acestei scări sunt formați din molecule de zahăr, oxigen și fosfor. Toate informațiile importante de funcționare din moleculă sunt scrise pe treptele scării - acestea constau din două molecule, fiecare fiind atașată la unul dintre stâlpii verticali. Aceste molecule — bazele azotate — se numesc adenină, guanină, timină și citozină, dar de obicei sunt desemnate pur și simplu prin literele A, G, T și C. Forma acestor molecule le permite să formeze legături - scări complete - numai de un anumit tip. Acestea sunt conexiuni între bazele A și T și între bazele G și C (perechea astfel formată se numește "pereche de baze"). Nu pot exista alte tipuri de conexiuni într-o moleculă de ADN.
Coborând treptele de-a lungul unei catene a unei molecule de ADN, obțineți o secvență de baze. Acest mesaj sub forma unei secvențe de baze determină fluxul reacțiilor chimice în celulă și, în consecință, caracteristicile organismului care posedă acest ADN. Conform dogmei centrale a biologiei moleculare, molecula de ADN codifică informații despre proteine, care, la rândul lor, acționează ca enzime ( cm. Catalizatorii și enzimele) reglează totul reacții chimiceîn organismele vii.
Corespondență strictă între secvența perechilor de baze dintr-o moleculă de ADN și secvența de aminoacizi care alcătuiesc enzime proteice, se numește cod genetic. Codul genetic a fost descifrat la scurt timp după descoperirea structurii dublu catenare a ADN-ului. Se știa că molecula nou descoperită informativ, sau matrice ARN-ul (ARNm sau ARNm) poartă informații scrise pe ADN. Biochimiștii Marshall W. Nirenberg și J. Heinrich Matthaei de la National Institutes of Health din Bethesda, lângă Washington, D.C., au condus primele experimente care au condus la indicii despre codul genetic.
Ei au început prin a sintetiza molecule artificiale de ARNm constând numai din baza azotată repetată uracil (care este un analog al timinei, „T”, și formează legături numai cu adenina, „A”, din molecula de ADN). Ei au adăugat acești ARNm în eprubete cu un amestec de aminoacizi, iar în fiecare tub doar unul dintre aminoacizi a fost marcat cu o etichetă radioactivă. Cercetătorii au descoperit că ARNm pe care l-au sintetizat artificial a inițiat formarea proteinelor într-o singură eprubetă, care conținea aminoacidul marcat fenilalanină. Așa că au stabilit că secvența „—U—U—U—” de pe molecula de ARNm (și, prin urmare, secvența echivalentă „—A—A—A—” de pe molecula de ADN) codifică o proteină constând numai din aminoacid. Fenilalanină. Acesta a fost primul pas spre descifrarea codului genetic.
Astăzi se știe că trei perechi de baze ale unei molecule de ADN (acest triplet se numește codon) codifică un aminoacid dintr-o proteină. Efectuând experimente similare celor descrise mai sus, geneticienii au descifrat în cele din urmă întregul cod genetic, în care fiecăruia dintre cei 64 de codoni posibili corespunde unui aminoacid specific.
Codul genetic este o modalitate de codificare a secvenței de aminoacizi dintr-o moleculă de proteină folosind secvența de nucleotide dintr-o moleculă de acid nucleic. Proprietățile codului genetic decurg din caracteristicile acestei codificări.
Fiecare aminoacid proteic este asociat cu trei nucleotide consecutive de acid nucleic - triplet, sau codon. Fiecare nucleotidă poate conține una dintre cele patru baze azotate. În ARN este adenina(A), uracil(U), guanina(G), citozină(C). Prin combinarea bazelor azotate în moduri diferite (în în acest caz, nucleotide care le conțin) puteți obține multe triplete diferite: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC etc. Numărul total de combinații posibile este de 64, adică 4 3 .
Proteinele organismelor vii conțin aproximativ 20 de aminoacizi. Dacă natura „ar fi planificat” să codifice fiecare aminoacid nu cu trei, ci cu două nucleotide, atunci varietatea unor astfel de perechi nu ar fi suficientă, deoarece ar fi doar 16 dintre ele, adică. 4 2.
Prin urmare, principala proprietate a codului genetic este triplicitatea acestuia. Fiecare aminoacid este codificat de un triplet de nucleotide.
Deoarece există mult mai multe triplete posibile decât aminoacizii utilizați în moleculele biologice, următoarea proprietate a fost realizată în natura vie: redundanţă cod genetic. Mulți aminoacizi au început să fie codificați nu de un codon, ci de mai mulți. De exemplu, aminoacidul glicina este codificat de patru codoni diferiți: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundanța se mai numește degenerare.
Corespondența dintre aminoacizi și codoni este prezentată în tabele. De exemplu, acestea: 
În legătură cu nucleotidele, codul genetic are următoarea proprietate: neambiguitate(sau specificitate): fiecărui codon îi corespunde doar un aminoacid. De exemplu, codonul GGU poate codifica numai pentru glicină și niciun alt aminoacid.
Din nou. Redundanța înseamnă că mai mulți tripleți pot codifica același aminoacid. Specificitate - fiecare codon specific poate codifica doar un aminoacid.
Nu există semne de punctuație speciale în codul genetic (cu excepția codonilor stop, care indică sfârșitul sintezei polipeptidelor). Funcția semnelor de punctuație este îndeplinită de tripleți înșiși - sfârșitul unuia înseamnă că altul va începe în continuare. Aceasta implică următoarele două proprietăți ale codului genetic: continuitateȘi nesuprapunere. Continuitatea se referă la citirea tripleților imediat după cealaltă. Nesuprapunerea înseamnă că fiecare nucleotidă poate face parte dintr-un singur triplet. Deci prima nucleotidă a următoarei triplete vine întotdeauna după a treia nucleotidă a tripletului precedent. Un codon nu poate începe cu a doua sau a treia nucleotidă a codonului precedent. Cu alte cuvinte, codul nu se suprapune.
Codul genetic are proprietatea versatilitate. Este același pentru toate organismele de pe Pământ, ceea ce indică unitatea originii vieții. Există excepții foarte rare de la acest lucru. De exemplu, unele triplete din mitocondrii și cloroplaste codifică aminoacizi alții decât cei obișnuiți. Acest lucru poate sugera că în zorii vieții au existat variații ușor diferite ale codului genetic.
În cele din urmă, codul genetic are imunitate la zgomot, care este o consecință a proprietății sale de redundanță. Mutațiile punctiforme, care uneori apar în ADN, duc de obicei la înlocuirea unei baze azotate cu alta. Acest lucru schimbă tripletul. De exemplu, a fost AAA, dar după mutație a devenit AAG. Cu toate acestea, astfel de modificări nu conduc întotdeauna la o modificare a aminoacidului din polipeptida sintetizată, deoarece ambele triplete, datorită proprietății de redundanță a codului genetic, pot corespunde unui aminoacid. Având în vedere că mutațiile sunt adesea dăunătoare, proprietatea imunității la zgomot este utilă.
