GENETICKÝ KÓD, spôsob zaznamenávania dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín vo forme sekvencie nukleotidov tvoriacich tieto kyseliny. Špecifická sekvencia nukleotidov v DNA a RNA zodpovedá špecifickej sekvencii aminokyselín v polypeptidových reťazcoch proteínov. Je zvykom písať kód pomocou veľkých písmen ruštiny resp latinská abeceda... Každý nukleotid je označený písmenom, ktorým začína názov dusíkatej bázy obsiahnutej v jeho molekule: A (A) - adenín, G (G) - guanín, C (C) - cytozín, T (T) - tymín; v RNA namiesto tymín uracil - U (U). Každý z nich je kódovaný kombináciou troch nukleotidov - tripletu alebo kodónu. Stručne povedané, cesta prenosu genetickej informácie je zhrnutá do tzv. centrálna dogma molekulárnej biológie: DNA `RNA f proteín.
V špeciálnych prípadoch sa informácie môžu preniesť z RNA do DNA, ale nikdy nie z proteínu do génov.
Implementácia genetickej informácie prebieha v dvoch etapách. V bunkovom jadre, informačnom alebo matrixe sa RNA (transkripcia) syntetizuje na DNA. V tomto prípade sa nukleotidová sekvencia DNA „prepíše“ (prekóduje) do nukleotidovej sekvencie mRNA. Potom mRNA prejde do cytoplazmy, naviaže sa na ribozóm a na ňom sa ako na templáte syntetizuje proteínový polypeptidový reťazec (translácia). Aminokyseliny sa pomocou transportnej RNA pripájajú k stavebnému reťazcu v sekvencii určenej poradím nukleotidov v mRNA.
Štyri „písmená“ môžu tvoriť 64 rôznych trojpísmenových „slov“ (kodónov). Zo 64 kodónov 61 kóduje určité aminokyseliny a tri sú zodpovedné za koniec syntézy polypeptidového reťazca. Keďže existuje 61 kodónov pre 20 aminokyselín, ktoré tvoria proteíny, niektoré aminokyseliny sú kódované viac ako jedným kodónom (tzv. degenerácia kódu). Táto redundancia zvyšuje spoľahlivosť kódu a celého mechanizmu biosyntézy bielkovín. Ďalšou vlastnosťou kódu je jeho špecifickosť (jednoznačnosť): jeden kodón kóduje iba jednu aminokyselinu.
Kód sa navyše neprekrýva – informácie sa čítajú v jednom smere postupne, triplet po triplete. Najprekvapujúcejšou vlastnosťou kódu je jeho univerzálnosť: je rovnaký pre všetko živé – od baktérií až po ľudí (s výnimkou tzv. genetický kód mitochondrie). Vedci to považujú za potvrdenie koncepcie pôvodu všetkých organizmov od jedného spoločného predka.
Dekódovanie genetického kódu, teda definícia „zmyslu“ každého kodónu a pravidiel, podľa ktorých sa informácie čítajú, sa uskutočnilo v rokoch 1961-1965. a je považovaný za jeden z najvýraznejších úspechov molekulárnej biológie.
GENETICKÝ KÓD, systém na zaznamenávanie dedičnej informácie vo forme sekvencie báz nukleotidov v molekulách DNA (u niektorých vírusov - RNA), ktorý určuje primárnu štruktúru (umiestnenie zvyškov aminokyselín) v molekulách bielkovín (polypeptidy). Problém genetického kódu bol formulovaný po preukázaní genetickej úlohy DNA (americkí mikrobiológovia O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) a dekódovaní jej štruktúry (J. Watson, F. Crick, 1953), po zistení že gény určujú štruktúru a funkciu enzýmov (princíp „jeden gén – jeden enzým“ od J. Beadle a E. Tatem, 1941) a že existuje závislosť priestorovej štruktúry a aktivity proteínu od jeho primárnej štruktúry (F. Senger, 1955). Otázku, ako kombinácie 4 báz nukleových kyselín určujú striedanie 20 bežných aminokyselinových zvyškov v polypeptidoch, prvýkrát položil G. Gamow v roku 1954.
Na základe experimentu, v ktorom sa skúmala interakcia inzercií a delécií páru nukleotidov, v jednom z génov bakteriofága T4 F. Crick a ďalší vedci v roku 1961 určili všeobecné vlastnosti genetického kódu: tripletnosť. tj každý aminokyselinový zvyšok v polypeptidovom reťazci zodpovedá súboru troch báz (triplet alebo kodón) v DNA génu; čítanie kodónov v géne ide z pevného bodu, jedným smerom a "bez čiarok", to znamená, že kodóny nie sú navzájom oddelené žiadnymi znakmi; degenerácia alebo redundancia – ten istý aminokyselinový zvyšok môže byť kódovaný niekoľkými kodónmi (synonymnými kodónmi). Autori predpokladali, že kodóny sa neprekrývajú (každá báza patrí len jednému kodónu). Pokračovalo sa v priamom štúdiu kódovacej schopnosti tripletov s použitím systému bezbunkovej syntézy proteínov pod kontrolou syntetickej messengerovej RNA (mRNA). Do roku 1965 bol genetický kód úplne rozlúštený v prácach S. Ochoa, M. Nirenberga a H. G. Korana. Odhalenie tajomstiev genetického kódu bolo jedným z vynikajúcich úspechov biológie 20. storočia.
Implementácia genetického kódu v bunke prebieha v priebehu dvoch matricových procesov - transkripcie a translácie. Mediátorom medzi génom a proteínom je mRNA, ktorá vzniká pri transkripcii na jednom z reťazcov DNA. V tomto prípade je sekvencia báz DNA, ktorá nesie informáciu o primárnej štruktúre proteínu, „prepísaná“ do podoby sekvencie báz mRNA. Potom, počas translácie na ribozómoch, je nukleotidová sekvencia mRNA čítaná transportnými RNA (tRNA). Tieto majú akceptorový koniec, ku ktorému je pripojený aminokyselinový zvyšok, a adaptorový koniec alebo antikodónový triplet, ktorý rozpoznáva zodpovedajúci mRNA kodón. K interakcii kodónu a antikodónu dochádza na základe komplementárneho párovania báz: adenín (A) - uracil (U), guanín (G) - cytozín (C); sekvencia báz mRNA sa prevedie na sekvenciu aminokyselín syntetizovaného proteínu. Rôzne organizmy používajú rôzne synonymné kodóny s rôznymi frekvenciami pre rovnakú aminokyselinu. Čítanie mRNA kódujúcej polypeptidový reťazec začína (spúšťa sa) od kodónu AUG zodpovedajúceho aminokyseline metionínu. Menej často sú u prokaryotov iniciačnými kodónmi GUG (valín), UUG (leucín), AUU (izoleucín), u eukaryotov - UUG (leucín), AUA (izoleucín), ACG (treonín), CUG (leucín). Toto nastaví takzvaný rámec alebo fázu čítania počas translácie, to znamená, že sa celá nukleotidová sekvencia mRNA prečíta triplet po triplete tRNA, až kým sa na translácii nenájde niektorý z troch terminačných kodónov, často nazývaných stop kodóny. mRNA: UAA, UAG, UGA (tabuľka). Čítanie týchto tripletov vedie k dokončeniu syntézy polypeptidového reťazca.
AUG kodóny a stop kodóny sú umiestnené na začiatku a na konci oblastí mRNA kódujúcich polypeptidy.
Genetický kód je kvázi univerzálny. To znamená, že existujú malé odchýlky vo význame niektorých kodónov v rôznych objektoch, a to sa týka predovšetkým terminačných kodónov, ktoré môžu mať význam; napríklad v mitochondriách niektorých eukaryotov a v mykoplazmách kóduje UGA tryptofán. Okrem toho v niektorých mRNA baktérií a eukaryotov kóduje UGA nezvyčajnú aminokyselinu, selenocysteín a UAG v jednom z archaea, pyrolyzín.
Existuje názor, podľa ktorého genetický kód vznikol náhodou (hypotéza „zamrznutého prípadu“). Je pravdepodobnejšie, že sa vyvinul. Tento predpoklad podporuje aj existencia jednoduchšej a zjavne staršej verzie kódu, ktorý sa číta v mitochondriách podľa pravidla „dva z troch“, keď aminokyselinu určujú iba dve z troch báz. v trojke.
Lit .: Crick F. N. and. O. Všeobecná povaha genetického kódu pre proteíny // Príroda. 1961. Zv. 192; Genetický kód. N. Y. 1966; Ichas M. Biologický kód. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Ako sa číta genetický kód: pravidlá a výnimky // Moderná prírodná veda... M., 2000. T. 8; Ratner V.A.Genetický kód ako systém // Sorosov vzdelávací časopis. 2000. T. 6. č. 3.
S. G. Inge-Vechtomov.
Už skôr sme zdôrazňovali, že nukleotidy majú vlastnosť dôležitú pre vznik života na Zemi – ak je v roztoku jeden polynukleotidový reťazec, na základe komplementárneho spojenia príbuzných nukleotidov spontánne dochádza k vytvoreniu druhého (paralelného) reťazca. Predpokladom pre realizáciu takýchto reakcií je rovnaký počet nukleotidov v oboch reťazcoch a ich chemická príbuznosť. Pri syntéze proteínov, kedy sa do štruktúry proteínu implementuje informácia z mRNA, však nemôže byť reč o dodržaní princípu komplementarity. Je to spôsobené tým, že nielen počet monomérov je odlišný v mRNA a v syntetizovanom proteíne, ale čo je obzvlášť dôležité, neexistuje medzi nimi žiadna štruktúrna podobnosť (na jednej strane nukleotidy, na druhej strane , aminokyseliny). Je jasné, že v tomto prípade je potrebné vytvoriť nový princíp na presnú transláciu informácie z polynukleotidu do polypeptidovej štruktúry. V evolúcii bol takýto princíp vytvorený a v jeho základoch bol položený genetický kód.
Genetický kód je systém na zaznamenávanie dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín založený na určitom striedaní nukleotidových sekvencií v DNA alebo RNA, ktoré tvoria kodóny zodpovedajúce aminokyselinám v proteíne.
Genetický kód má niekoľko vlastností.
Trojitosť.
Degenerácia alebo nadbytočnosť.
Jednoznačnosť.
Polarita.
Neprekrývanie.
Kompaktnosť.
Všestrannosť.
Je potrebné poznamenať, že niektorí autori ponúkajú aj ďalšie vlastnosti kódu súvisiace s chemické vlastnosti nukleotidov zahrnutých v kóde alebo s frekvenciou výskytu jednotlivých aminokyselín v telových bielkovinách a pod. Tieto vlastnosti však vyplývajú z vyššie uvedeného, preto ich tam budeme uvažovať.
a. Trojitosť. Genetický kód, podobne ako mnohé komplexne organizované systémy, má najmenšiu štrukturálnu a najmenšiu funkčnú jednotku. Triplet je najmenšia štruktúrna jednotka genetického kódu. Pozostáva z troch nukleotidov. Kodón je najmenšia funkčná jednotka genetického kódu. Triplety mRNA sa spravidla nazývajú kodóny. V genetickom kóde má kodón niekoľko funkcií. Po prvé, jeho hlavnou funkciou je, že kóduje jednu aminokyselinu. Po druhé, kodón nemusí kódovať aminokyselinu, ale v tomto prípade plní inú funkciu (pozri nižšie). Ako je zrejmé z definície, triplet je pojem, ktorý charakterizuje elementárne konštrukčná jednotka genetický kód (tri nukleotidy). Kodon - charakterizuje elementárna sémantická jednotka genóm – tri nukleotidy určujú pripojenie jednej aminokyseliny k polypeptidovému reťazcu.
Elementárna štruktúrna jednotka bola najskôr teoreticky dešifrovaná a potom bola jej existencia potvrdená experimentálne. V skutočnosti 20 aminokyselín nemôže byť kódovaných jedným alebo dvoma nukleotidmi. posledné sú len 4. Tri zo štyroch nukleotidov poskytujú 4 3 = 64 variantov, čo viac ako prevyšuje počet aminokyselín dostupných v živých organizmoch (pozri tabuľku 1).
Nukleotidové kombinácie uvedené v tabuľke 64 majú dva znaky. Po prvé, zo 64 variantov tripletov je len 61 kodónov a kóduje akúkoľvek aminokyselinu, tzv. zmyselné kodóny... Tri triplety nekódujú
Stôl 1.
Messenger RNA kodóny a zodpovedajúce aminokyseliny
|
B o n a I k o d o n o v |
|||||
|
Nezmysel |
Nezmysel |
||||
|
Nezmysel | |||||
|
Met |
|||||
|
Šachta |
|||||
aminokyseliny a sú stop signály označujúce koniec translácie. Existujú tri takéto trojčatá - UAA, UAG, UGA, nazývajú sa aj „bezvýznamné“ (nezmyselné kodóny). V dôsledku mutácie, ktorá je spojená s nahradením jedného nukleotidu v triplete iným, môže zo sense kodónu vzniknúť nezmyselný kodón. Tento typ mutácie sa nazýva nezmyselná mutácia... Ak sa takýto stop signál vytvorí vo vnútri génu (v jeho informačnej časti), tak pri syntéze proteínov v tomto mieste bude proces neustále prerušovaný – syntetizuje sa len prvá (pred signálom stop) časť proteínu. Osoba s touto patológiou bude mať nedostatok bielkovín a symptómy spojené s týmto nedostatkom. Tento druh mutácie bol napríklad nájdený v géne kódujúcom beta-reťazec hemoglobínu. Syntetizuje sa skrátený neaktívny hemoglobínový reťazec, ktorý sa rýchlo zničí. V dôsledku toho sa vytvorí molekula hemoglobínu bez beta reťazca. Je zrejmé, že takáto molekula pravdepodobne nebude plne plniť svoje povinnosti. Vyskytuje sa vážne ochorenie, ktoré sa vyvíja podľa typu hemolytická anémia(beta-nulová talasémia, z gréckeho slova „Talas“ – Stredozemné more, kde bola táto choroba prvýkrát objavená).
Mechanizmus účinku stop kodónov je odlišný od mechanizmu sense kodónov. Vyplýva to zo skutočnosti, že zodpovedajúce tRNA boli nájdené pre všetky kodóny kódujúce aminokyseliny. Pre nezmyselné kodóny sa nenašli žiadne tRNA. V dôsledku toho sa tRNA nezúčastňuje procesu zastavenia syntézy proteínov.
CodonAUG (v baktériách niekedy GUG) nielen kódujú aminokyselinu metionín a valín, ale ajiniciátor vysielania .
b. Degenerácia alebo nadbytočnosť.
61 zo 64 tripletov kóduje 20 aminokyselín. Takýto trojnásobný prebytok počtu tripletov nad počtom aminokyselín naznačuje, že pri prenose informácií možno použiť dve možnosti kódovania. Po prvé, nie všetkých 64 kodónov môže byť zapojených do kódovania 20 aminokyselín, ale iba 20, a po druhé, aminokyseliny môžu byť kódované niekoľkými kodónmi. Výskum ukázal, že príroda využila poslednú možnosť.
Jeho preferencia je zrejmá. Ak by sa na kódovaní aminokyselín podieľalo len 20 zo 64 variantov tripletov, tak by 44 tripletov (zo 64) zostalo nekódujúcich, t.j. nezmyselné (nezmyselné kodóny). Už skôr sme poukázali na to, aká nebezpečná je pre život bunky premena kódujúceho tripletu v dôsledku mutácie na nezmyselný kodón – výrazne narúša normálnu činnosť RNA polymerázy, čo v konečnom dôsledku vedie k rozvoju chorôb. V súčasnosti sú v našom genóme tri kodóny bezvýznamné, ale teraz si predstavte, čo by sa stalo, keby sa počet nezmyselných kodónov zvýšil asi 15-krát. Je jasné, že v takejto situácii bude prechod z normálnych kodónov na nezmyselné kodóny nezmerateľne vyšší.
Kód, v ktorom je jedna aminokyselina kódovaná niekoľkými tripletmi, sa nazýva degenerovaný alebo nadbytočný. Niekoľko kodónov zodpovedá takmer každej aminokyseline. Aminokyselina leucín môže byť teda kódovaná šiestimi tripletmi - UUA, UUG, CUU, CUTS, CUA, CUG. Valín je kódovaný štyrmi tripletmi, fenylalanín dvoma a iba tryptofán a metionín sú kódované jedným kodónom. Vlastnosť, ktorá je spojená so záznamom rovnakej informácie s rôznymi symbolmi, sa nazýva degenerácia.
Počet kodónov priradených jednej aminokyseline dobre koreluje s frekvenciou výskytu aminokyseliny v proteínoch.
A to s najväčšou pravdepodobnosťou nie je náhodné. Čím vyššia je frekvencia výskytu aminokyseliny v proteíne, čím častejšie je kodón tejto aminokyseliny prítomný v genóme, tým vyššia je pravdepodobnosť jej poškodenia mutagénnymi faktormi. Preto je jasné, že mutovaný kodón má viac šancí zakódovať rovnakú aminokyselinu s jej vysokou degeneráciou. Z týchto pozícií je degenerácia genetického kódu mechanizmom, ktorý chráni ľudský genóm pred poškodením.
Treba si uvedomiť, že pojem degenerácia sa používa v molekulárnej genetike a v inom zmysle. Takže hlavná časť informácie v kodóne pripadá na prvé dva nukleotidy, báza na tretej pozícii kodónu sa ukazuje ako nepodstatná. Tento jav sa nazýva „degenerácia tretej základne“. Posledná uvedená vlastnosť minimalizuje účinok mutácií. Napríklad je známe, že hlavnou funkciou červených krviniek je prenášať kyslík z pľúc do tkanív a oxid uhličitý z tkanív do pľúc. Túto funkciu plní dýchací pigment – hemoglobín, ktorý vypĺňa celú cytoplazmu erytrocytu. Skladá sa z proteínovej časti – globínu, ktorý je kódovaný zodpovedajúcim génom. Okrem bielkovín je v molekule hemoglobínu zahrnutý hém obsahujúci železo. Mutácie v globínových génoch vedú k objaveniu sa rôznych variantov hemoglobínu. Najčastejšie sú mutácie spojené s nahradenie jedného nukleotidu iným a objavenie sa nového kodónu v géne, ktorý môže kódovať novú aminokyselinu v polypeptidovom reťazci hemoglobínu. V triplete môže byť v dôsledku mutácie nahradený akýkoľvek nukleotid - prvý, druhý alebo tretí. Je známych niekoľko stoviek mutácií, ktoré ovplyvňujú integritu globínových génov. O 400 z nich sú spojené so substitúciou jednotlivých nukleotidov v géne a zodpovedajúcou substitúciou aminokyselín v polypeptide. Z týchto iba 100 substitúcie vedú k nestabilite hemoglobínu a rôznym druhom ochorení od miernych až po veľmi ťažké. 300 (približne 64 %) substitučných mutácií neovplyvňuje funkciu hemoglobínu a nevedie k patológii. Jedným z dôvodov je aj vyššie spomínaná „degenerácia tretej bázy“, keď nahradenie tretieho nukleotidu v triplete kódujúcom serín, leucín, prolín, arginín a niektoré ďalšie aminokyseliny vedie k vzniku synonymického kodónu. kódujúce rovnakú aminokyselinu. Fenotypicky sa táto mutácia neobjaví. Naopak, akákoľvek substitúcia prvého alebo druhého nukleotidu v triplete v 100% prípadov vedie k objaveniu sa nového variantu hemoglobínu. Ale ani v tomto prípade nemusí ísť o závažné fenotypové poruchy. Dôvodom je nahradenie aminokyseliny v hemoglobíne inou, ktorá je podobná prvej vo svojich fyzikálno-chemických vlastnostiach. Napríklad, ak je aminokyselina s hydrofilnými vlastnosťami nahradená inou aminokyselinou s rovnakými vlastnosťami.
Hemoglobín sa skladá zo železnej porfyrínovej skupiny hemu (na ňu sa viažu molekuly kyslíka a oxidu uhličitého) a proteínu – globínu. Dospelý hemoglobín (HbA) obsahuje dva identické - reťaze a dva - reťaze. Molekula - reťazec obsahuje 141 aminokyselinových zvyškov, - reťaz - 146, - a β-reťazce sa líšia v mnohých aminokyselinových zvyškoch. Aminokyselinová sekvencia každého globínového reťazca je kódovaná vlastným génom. Génové kódovanie - reťazec sa nachádza v krátkom ramene chromozómu 16, -gén - v krátkom ramene 11. chromozómu. Substitúcia v kódovaní génu - hemoglobínový reťazec prvého alebo druhého nukleotidu takmer vždy vedie k objaveniu sa nových aminokyselín v proteíne, dysfunkcii hemoglobínu a vážnym následkom pre pacienta. Napríklad nahradenie „C“ v jednom z tripletov CAU (histidín) za „Y“ povedie k objaveniu sa nového tripletu CAU, ktorý kóduje inú aminokyselinu - tyrozín. β-reťazec histidínového polypeptidu na tyrozín bude destabilizovať hemoglobín. Choroba vyvíja methemoglobinémiu. Náhrada, ako výsledok mutácie, kyseliny glutámovej za valín na 6. pozícii -reťazce sú príčinou najzávažnejšej choroby - kosáčikovej anémie. Nepokračujme v smutnom zozname. Všimli sme si len, že keď sú nahradené prvé dva nukleotidy, aminokyselina sa môže objaviť na fyzikálne a chemické vlastnosti podobný tomu starému. Takže nahradenie 2. nukleotidu v jednom z tripletov kódujúcich kyselinu glutámovú (GAA) v -reťazec s „Y“ vedie k vzniku nového tripletu (GUA) kódujúceho valín a nahradenie prvého nukleotidu za „A“ vytvára AAA triplet kódujúci aminokyselinu lyzín. Kyselina glutámová a lyzín majú podobné fyzikálno-chemické vlastnosti – obe sú hydrofilné. Valín je hydrofóbna aminokyselina. Preto nahradenie hydrofilnej kyseliny glutámovej hydrofóbnym valínom výrazne mení vlastnosti hemoglobínu, čo v konečnom dôsledku vedie k rozvoju kosáčikovitej anémie, pričom nahradenie hydrofilnej kyseliny glutámovej hydrofilným lyzínom mení funkciu hemoglobínu v menšej miere – pacienti majú miernu formu anémie. V dôsledku substitúcie tretej bázy môže nový triplet kódovať rovnaké aminokyseliny ako predchádzajúci. Napríklad, ak bol uracil nahradený cytozínom v triplete CAC a objavil sa triplet CAC, potom sa u ľudí prakticky nezistia žiadne fenotypové zmeny. Je to pochopiteľné, keďže oba triplety kódujú rovnakú aminokyselinu, histidín.
Na záver je vhodné zdôrazniť, že degenerácia genetického kódu a degenerácia tretej bázy zo všeobecného biologického hľadiska sú obranné mechanizmy, ktoré sú v evolúcii zakotvené v jedinečnej štruktúre DNA a RNA.
v. Jednoznačnosť.
Každý triplet (okrem tých nezmyselných) kóduje len jednu aminokyselinu. Teda v smere kodón - aminokyselina je genetický kód jednoznačný, v smere aminokyselina - kodón je nejednoznačný (degenerovaný).
Jednoznačne
Aminokyselinový kodón
Degenerovať
A v tomto prípade je zrejmá potreba jednoznačnosti v genetickom kóde. V inom variante by sa počas translácie toho istého kodónu do proteínového reťazca vložili rôzne aminokyseliny a v dôsledku toho by sa vytvorili proteíny s rôznymi primárnymi štruktúrami a rôznymi funkciami. Bunkový metabolizmus by sa prepol na spôsob fungovania „jeden gén – niekoľko peptidov“. Je jasné, že v takejto situácii by sa regulačná funkcia génov úplne stratila.
Polarita
Čítanie informácií z DNA a z mRNA prebieha iba jedným smerom. Polarita má nevyhnutné definovať štruktúry vyššieho rádu (sekundárne, terciárne atď.). Už sme diskutovali o tom, že štruktúry nižšieho rádu definujú štruktúry vyššieho rádu. Terciárna štruktúra a štruktúry viac vysoký poriadok v proteínoch vznikajú okamžite, akonáhle sa syntetizované vlákno RNA odkloní od molekuly DNA alebo sa polypeptidové vlákno odkloní od ribozómu. Zatiaľ čo voľný koniec RNA alebo polypeptidu nadobúda terciárna štruktúra, druhý koniec reťazca sa stále syntetizuje na DNA (ak je transkribovaná RNA) alebo ribozóme (ak je transkribovaný polypeptid).
Jednosmerný proces čítania informácií (pri syntéze RNA a proteínu) je preto nevyhnutný nielen na určenie sekvencie nukleotidov alebo aminokyselín v syntetizovanej látke, ale aj na rigidné určenie sekundárnych, terciárnych atď. štruktúry.
e) Neprekrývanie.
Kód sa môže prekrývať aj neprekrývať. Väčšina organizmov nemá prekrývajúci sa kód. Prekrývajúci sa kód sa nachádza v niektorých fágoch.
Podstatou neprekrývajúceho sa kódu je, že nukleotid jedného kodónu nemôže byť súčasne nukleotidom iného kodónu. Ak by sa kód prekrýval, potom sekvencia siedmich nukleotidov (GCCHCUG) by mohla kódovať nie dve aminokyseliny (alanín-alanín) (obr. 33, A), ako v prípade neprekrývajúceho sa kódu, ale tri (ak jeden nukleotid je spoločný) (obr. 33, B) alebo päť (ak sú spoločné dva nukleotidy) (pozri obr. 33, C). V posledných dvoch prípadoch by mutácia ktoréhokoľvek nukleotidu viedla k narušeniu sekvencie dvoch, troch atď. aminokyseliny.
Zistilo sa však, že jediná nukleotidová mutácia vždy naruší zahrnutie jednej aminokyseliny do polypeptidu. Toto je významný argument pre neprekrývajúci sa kód.
Vysvetlíme si to na obrázku 34. Hrubé čiary znázorňujú triplety kódujúce aminokyseliny v prípade neprekrývajúceho sa a prekrývajúceho sa kódu. Experimenty jednoznačne ukázali, že genetický kód sa neprekrýva. Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností experimentu, poznamenávame, že ak nahradíme tretí nukleotid v nukleotidovej sekvencii (pozri obr. 34)Mať (označené hviezdičkou) na niečo iné:
1. S neprekrývajúcim sa kódom by proteín riadený touto sekvenciou mal substitúciu jednej (prvej) aminokyseliny (označenej hviezdičkami).
2. S prekrývajúcim sa kódom v možnosti A by došlo k zmene dvoch (prvej a druhej) aminokyselín (označených hviezdičkami). Pri možnosti B by nahradenie ovplyvnilo tri aminokyseliny (označené hviezdičkami).
Početné experimenty však ukázali, že keď je narušený jeden nukleotid v DNA, poruchy v proteíne sa týkajú vždy len jednej aminokyseliny, čo je charakteristické pre neprekrývajúci sa kód.
ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ ГЦУГЦУГ
ГЦУ ГЦУ ГЦУ УГЦ ЦУГ ГЦУ ЦУГ УГЦ ГЦУ ЦУГ
*** *** *** *** *** ***
Alanín - Alanín Ala - Cis - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei
A B C
Neprekrývajúci sa kód Prekrývajúci sa kód
Ryža. 34. Schéma vysvetľujúca prítomnosť neprekrývajúceho sa kódu v genóme (vysvetlenie v texte).
Neprekrývanie genetického kódu je spojené s ďalšou vlastnosťou – čítanie informácie začína od určitého bodu – iniciačným signálom. Takýmto iniciačným signálom v mRNA je kodón kódujúci metionín AUG.
Treba poznamenať, že človek má stále malý počet génov, ktoré sa odchyľujú všeobecné pravidlo a prekrývajú sa.
e) Kompaktnosť.
Medzi kodónmi nie sú žiadne interpunkčné znamienka. Inými slovami, triplety nie sú od seba oddelené napríklad jedným nezmyselným nukleotidom. Absencia „interpunkčných znamienok“ v genetickom kóde bola dokázaná experimentmi.
f. Všestrannosť.
Kód je rovnaký pre všetky organizmy žijúce na Zemi. Priamy dôkaz univerzálnosti genetického kódu bol získaný porovnaním sekvencií DNA s príslušnými proteínovými sekvenciami. Ukázalo sa, že rovnaké súbory kódových hodnôt sa používajú vo všetkých bakteriálnych a eukaryotických genómoch. Existujú výnimky, ale nie je ich veľa.
Prvé výnimky z univerzálnosti genetického kódu sa našli v mitochondriách niektorých živočíšnych druhov. Týkalo sa to terminačného kodónu UGA, ktorý sa čítal rovnakým spôsobom ako kodón UGG kódujúci aminokyselinu tryptofán. Boli nájdené ďalšie zriedkavejšie odchýlky od univerzálnosti.
MH. Genetický kód je systém na zaznamenávanie dedičnej informácie v molekulách nukleových kyselín, založený na určitom striedaní nukleotidových sekvencií v DNA alebo RNA, ktoré tvoria kodóny,
zodpovedajúce aminokyselinám v proteíne.Genetický kód má niekoľko vlastností.
Dnes už nie je pre nikoho tajomstvom, že životný program všetkých živých organizmov je zaznamenaný na molekule DNA. Najjednoduchší spôsob, ako si predstaviť molekulu DNA, je dlhé schodisko. Stojany tohto schodiska sú zložené z molekúl cukru, kyslíka a fosforu. Všetky dôležité pracovné informácie v molekule sú zaznamenané na priečkach schodov – tvoria ich dve molekuly, z ktorých každá je pripevnená k jednej zo stĺpikov. Tieto molekuly - dusíkaté bázy - sa nazývajú adenín, guanín, tymín a cytozín, ale zvyčajne sa označujú jednoducho písmenami A, G, T a C. Tvar týchto molekúl im umožňuje vytvárať väzby - úplné kroky - iba určitý typ. Ide o spojenia medzi bázami A a T a medzi bázami G a C (takto vytvorený pár sa nazýva tzv. Pár dôvodov). V molekule DNA nemôžu byť žiadne iné typy väzieb.
Keď kráčate po schodoch pozdĺž jedného vlákna molekuly DNA, získate základnú sekvenciu. Je to táto správa vo forme sekvencie báz, ktorá určuje priebeh chemických reakcií v bunke, a teda aj vlastnosti organizmu, ktorý má túto DNA. Podľa centrálnej dogmy molekulárnej biológie sú informácie o proteínoch zakódované na molekule DNA, ktorá zasa pôsobí ako enzýmy ( cm. Katalyzátory a enzýmy), regulujú všetky chemické reakcie v živých organizmoch.
Striktná zhoda medzi sekvenciou párov báz v molekule DNA a sekvenciou aminokyselín, ktoré ju tvoria proteínové enzýmy sa nazýva genetický kód. Genetický kód bol rozlúštený krátko po objavení dvojvláknovej štruktúry DNA. Bolo známe, že nedávno objavená molekula informácie, alebo matice RNA (mRNA alebo mRNA) nesie informácie zaznamenané na DNA. Biochemici Marshall W. Nirenberg a J. Heinrich Matthaei z National Institutes of Health v Bethesde neďaleko Washingtonu, DC, uskutočnili prvé experimenty, ktoré viedli k odhaleniu genetického kódu.
Začali syntetizovaním umelých molekúl mRNA tvorených iba opakujúcou sa dusíkatou bázou uracilu (ktorý je analogický s tymínom „T“ a tvorí väzby iba s adenínom „A“ z molekuly DNA). Tieto mRNA pridali do skúmaviek so zmesou aminokyselín, pričom len jedna z aminokyselín v každej skúmavke bola rádioaktívne označená. Vedci zistili, že nimi umelo syntetizovaná mRNA iniciovala tvorbu proteínu len v jednej skúmavke, ktorá obsahovala značenú aminokyselinu fenylalanín. Zistili teda, že sekvencia „-Y-V-V-“ na molekule mRNA (a teda ekvivalentná sekvencia „-A-A-A-“ na molekule DNA) kóduje proteín pozostávajúci iba z aminokyseliny fenylalanínu. Toto bol prvý krok k rozlúšteniu genetického kódu.
Dnes je známe, že tri páry báz molekuly DNA (takýto triplet sa nazýva kodón) kóduje jednu aminokyselinu v proteíne. Vykonaním experimentov podobných tým, ktoré sú opísané vyššie, genetici nakoniec rozlúštili celý genetický kód, v ktorom každý zo 64 možných kodónov zodpovedá konkrétnej aminokyseline.
Genetický kód je spôsob kódovania sekvencie aminokyselín v molekule proteínu pomocou sekvencie nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny. Vlastnosti genetického kódu vyplývajú zo zvláštností tohto kódovania.
Každá aminokyselina proteínu je spojená s tromi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi nukleovej kyseliny - trojčatá, alebo kodón... Každý z nukleotidov môže obsahovať jednu zo štyroch dusíkatých báz. V RNA je to tak adenín(A), uracil(U), guanín(G), cytozín(C). Kombinovanie dusíkatých zásad rôznymi spôsobmi (v v tomto prípade obsahujúce ich nukleotidy), možno získať mnoho rôznych tripletov: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC atď. Celkový počet možných kombinácií je 64, teda 4 3.
Bielkoviny živých organizmov obsahujú asi 20 aminokyselín. Ak by si príroda „vymyslela“ kódovanie každej aminokyseliny nie tromi, ale dvoma nukleotidmi, potom by rozmanitosť takýchto párov nestačila, pretože by ich bolo len 16, tj. 4 2.
teda hlavnou vlastnosťou genetického kódu je jeho tripletnosť... Každá aminokyselina je kódovaná trojitým nukleotidom.
Keďže v biologických molekulách je podstatne viac možných odlišných tripletov ako aminokyselín, v živej prírode sa realizovala taká vlastnosť ako napr. nadbytok genetický kód. Mnoho aminokyselín začalo byť kódovaných nie jedným kodónom, ale niekoľkými. Napríklad aminokyselina glycín je kódovaná štyrmi rôznymi kodónmi: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundancia je tiež tzv degenerácia.
Zhoda medzi aminokyselinami a kodónmi je uvedená v tabuľkách. Napríklad takéto: 
Vo vzťahu k nukleotidom má genetický kód nasledujúcu vlastnosť: jednoznačnosť(alebo špecifickosť): každý kodón zodpovedá len jednej aminokyseline. Napríklad iba glycín a žiadna iná aminokyselina môže byť kódovaná kodónom GGU.
Opäť. Redundancia je o tom, že niekoľko tripletov môže kódovať rovnakú aminokyselinu. Špecifickosť – každý špecifický kodón môže kódovať iba jednu aminokyselinu.
V genetickom kóde nie sú žiadne špeciálne interpunkčné znamienka (okrem stop kodónov, ktoré označujú koniec syntézy polypeptidu). Funkciu interpunkčných znamienok plnia samotné trojičky – koniec jednej znamená, že ďalšia začne ďalšia. Z toho vyplývajú nasledujúce dve vlastnosti genetického kódu: kontinuita a neprekrývanie... Kontinuita sa chápe ako čítanie trojíc bezprostredne po sebe. Neprekrývanie znamená, že každý nukleotid môže byť súčasťou iba jedného tripletu. Takže prvý nukleotid nasledujúceho tripletu vždy nasleduje po treťom nukleotide predchádzajúceho tripletu. Kodón nemôže začínať na druhom alebo treťom nukleotide predchádzajúceho kodónu. Inými slovami, kód sa neprekrýva.
Genetický kód má vlastnosť univerzálnosť... Je to rovnaké pre všetky organizmy na Zemi, čo hovorí o jednote pôvodu života. Existujú však veľmi zriedkavé výnimky. Napríklad niektoré triplety mitochondrií a chloroplastov kódujú aminokyseliny iné ako tie, ktoré sú bežné. To môže naznačovať, že na úsvite vývoja života existovali mierne odlišné variácie genetického kódu.
Napokon, genetický kód má odolnosť proti hluku, čo je dôsledok takej vlastnosti, akou je nadbytočnosť. Bodové mutácie, ktoré sa niekedy vyskytujú v DNA, zvyčajne vedú k výmene jednej dusíkatej bázy za inú. Tým sa zmení triplet. Napríklad to bolo AAA, po mutácii sa z neho stalo AAG. Takéto zmeny však nie vždy vedú k zmene aminokyseliny v syntetizovanom polypeptide, pretože obidva triplety môžu v dôsledku redundantnej vlastnosti genetického kódu zodpovedať jednej aminokyseline. Vzhľadom na to, že mutácie sú častejšie škodlivé, vlastnosť odolnosti voči hluku je užitočná.
