U tjelesnom metabolizmu vodeća uloga
pripada proteinima i nukleinskim kiselinama.
Proteinske supstance čine osnovu svih vitalnih ćelijskih struktura, imaju neobično visoku reaktivnost i obdarene su katalitičkim funkcijama.
Nukleinske kiseline su dio najvažnijeg ćelijskog organa - jezgra, kao i citoplazme, ribozoma, mitohondrija itd. Nukleinske kiseline imaju važnu, primarnu ulogu u naslijeđu, varijabilnosti tijela i sintezi proteina.
Plan sinteza protein se pohranjuje u ćelijskom jezgru, a direktna sinteza se odvija izvan jezgra, pa je neophodno usluga dostave kodiran plan od jezgra do mesta sinteze. Ovu uslugu dostave vrše molekule RNK.
Proces počinje u jezgro ćelije: deo DNK "merdevina" se odmotava i otvara. Zbog toga, RNK slova formiraju veze sa otvorenim DNK slovima jednog od lanaca DNK. Enzim prenosi slova RNK da ih poveže u nit. Dakle, slova DNK su "prepisana" u slova RNK. Novoformirani RNK lanac se odvaja, a DNK "merdevine" se ponovo uvijaju. Proces čitanja informacija iz DNK i sintetiziranja njenog RNA šablona naziva se transkripcija , a sintetizirana RNK se naziva informacijska ili i-RNA .
Nakon daljih modifikacija, ova vrsta kodirane mRNA je spremna. i-RNA izlazi iz jezgra i odlazi na mjesto sinteze proteina, gdje se dešifruju slova i-RNA. Svaki skup od tri slova i-RNA formira "slovo" koje označava jednu određenu aminokiselinu.
Druga vrsta RNK traži ovu aminokiselinu, hvata je uz pomoć enzima i dostavlja je na mjesto sinteze proteina. Ova RNK se naziva transferna RNK ili tRNA. Kako se mRNA poruka čita i prevodi, lanac aminokiselina raste. Ovaj lanac se uvija i savija u jedinstven oblik, stvarajući jednu vrstu proteina. Čak je i proces savijanja proteina izvanredan: koristiti kompjuter za sve izračunavanje opcije bilo bi potrebno 1027 (!) godina da se savije protein srednje veličine koji se sastoji od 100 aminokiselina. A za formiranje lanca od 20 aminokiselina u tijelu nije potrebno više od jedne sekunde, a taj se proces odvija kontinuirano u svim stanicama tijela.
Geni, genetski kod i njegova svojstva.
Na Zemlji živi oko 7 milijardi ljudi. Osim 25-30 miliona parova jednojajčanih blizanaca, tada genetski svi ljudi su različiti : svaki je jedinstven, ima jedinstvene nasljedne karakteristike, karakterne osobine, sposobnosti, temperament.
Takve razlike su objašnjene razlike u genotipovima- skupovi gena organizma; svaka je jedinstvena. Genetske osobine određenog organizma su utjelovljene u proteinima - shodno tome, struktura proteina jedne osobe se razlikuje, iako prilično, od proteina druge osobe.
To ne znači da ljudi nemaju potpuno iste proteine. Proteini koji obavljaju iste funkcije mogu biti isti ili se vrlo malo razlikovati za jednu ili dvije aminokiseline jedan od drugog. Ali ne postoji na Zemlji ljudi (sa izuzetkom jednojajčanih blizanaca), u kojoj bi bili svi proteini su isti .
Informacije o primarnoj strukturi proteina kodiran kao niz nukleotida u dijelu molekule DNK, gen - jedinica nasljedne informacije organizma. Svaki molekul DNK sadrži mnogo gena. Ukupnost svih gena jednog organizma čini njegovu genotip . dakle,
Gen je jedinica nasljedne informacije organizma, koja odgovara posebnom dijelu DNK
Nasljedne informacije se kodiraju korištenjem genetski kod , koji je univerzalan za sve organizme i razlikuje se samo po izmjeni nukleotida koji formiraju gene i kodiraju proteine određenih organizama.
Genetski kod sastoji se od tripleta (trojki) DNK nukleotida koji se kombinuju u različitim sekvencama (AAT, HCA, ACH, THC, itd.), od kojih svaki kodira određenu aminokiselinu (koja će biti ugrađena u polipeptidni lanac).
Zapravo kod
broji sekvence nukleotida u i-RNA molekulu
, jer uklanja informacije iz DNK (proces transkripcije
) i prevodi ga u niz aminokiselina u molekulima sintetiziranih proteina (proces emisije
).
Sastav mRNA uključuje nukleotide A-C-G-U, čiji se tripleti nazivaju kodoni
: CHT DNK triplet na mRNA će postati HCA triplet, a AAG DNK triplet će postati UUC triplet. Upravo i-RNA kodoni
odražava genetski kod u zapisu.
dakle, genetski kod - jedinstveni sistem za snimanje nasljednih informacija u molekulima nukleinske kiseline u obliku niza nukleotida . Genetski kod se zasniva na upotrebi abecede koja se sastoji od samo četiri nukleotidna slova koja se razlikuju po dušičnim bazama: A, T, G, C.
Glavna svojstva genetskog koda:
1. Genetski kod trojka. Triplet (kodon) je sekvenca od tri nukleotida koja kodira jednu aminokiselinu. Budući da proteini sadrže 20 aminokiselina, očigledno je da svaka od njih ne može biti kodirana jednim nukleotidom ( pošto postoje samo četiri tipa nukleotida u DNK, u ovom slučaju 16 aminokiselina ostaje nekodirano). Dva nukleotida za kodiranje aminokiselina također nisu dovoljna, jer se u ovom slučaju može kodirati samo 16 aminokiselina. To znači da najmanji broj nukleotida koji kodiraju jednu aminokiselinu mora biti najmanje tri. U ovom slučaju, broj mogućih nukleotidnih tripleta je 43 = 64.
2. redundantnost (degeneracija)Šifra je posljedica njegove tripletne prirode i znači da jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko tripleta (pošto ima 20 aminokiselina, a ima 64 tripleta), s izuzetkom metionina i triptofana, koje kodira samo jedan trojka. Osim toga, neki tripleti obavljaju specifične funkcije: u molekuli mRNA, tripleti UAA, UAG, UGA su terminacijski kodoni, tj. stani-signali koji zaustavljaju sintezu polipeptidnog lanca. Triplet koji odgovara metioninu (AUG), koji stoji na početku lanca DNK, ne kodira aminokiselinu, već obavlja funkciju iniciranja (uzbudljivog) čitanja.
3. Nedvosmislenost kod - uz redundantnost, kod ima svojstvo jedinstvenost : svaki kodon odgovara samo jedan specifične aminokiseline.
4. Kolinearnost kod, tj. sekvence nukleotida u genu upravo odgovara redoslijedu aminokiselina u proteinu.
5. Genetski kod ne preklapaju se i kompaktni , tj. ne sadrži "znakove interpunkcije". To znači da proces čitanja ne dopušta mogućnost preklapanja kolona (trojki), i, počevši od određenog kodona, očitavanje ide kontinuirano trostruko po triplet sve dok stani-signali ( terminacioni kodoni).
6. Genetski kod univerzalni , odnosno nuklearni geni svih organizama na isti način kodiraju informacije o proteinima, bez obzira na nivo organizacije i sistematski položaj ovih organizama.
Postoji tablice genetskih kodova za dešifrovanje kodoni i-RNA i građevni lanci proteinskih molekula.
Reakcije sinteze matrice.
U živim sistemima postoje reakcije nepoznate u neživoj prirodi - reakcije sinteze matrice.
Termin "matrica" u tehnologiji označavaju formu koja se koristi za livenje kovanica, medalja, tipografski tip: očvrsnuti metal tačno reproducira sve detalje forme koja se koristi za livenje. Matrična sinteza nalikuje livenju na matrici: novi molekuli se sintetiziraju u strogom skladu sa planom postavljenim u strukturi već postojećih molekula.
Matrični princip leži u srži najvažnije sintetičke reakcije ćelije, kao što je sinteza nukleinskih kiselina i proteina. U ovim reakcijama se daje tačan, strogo specifičan niz monomernih jedinica u sintetiziranim polimerima.
Ovo je mjesto gdje je usmjereno povlačenje monomera na određenu lokacijućelije - u molekule koji služe kao matrica u kojoj se odvija reakcija. Ako bi se takve reakcije dogodile kao rezultat slučajnog sudara molekula, one bi se odvijale beskonačno sporo. Sinteza složenih molekula po principu matrice se izvodi brzo i precizno. Uloga matrice Makromolekule nukleinskih kiselina igraju u matričnim reakcijama DNK ili RNK .
monomernih molekula, iz kojih se sintetiše polimer - nukleotidi ili aminokiseline - u skladu sa principom komplementarnosti se raspoređuju i fiksiraju na matrici u strogo definisanom, unapred određenom redosledu.
Onda dolazi "poprečno povezivanje" monomernih jedinica u polimerni lanac, a gotov polimer se ispušta iz matrice.
Nakon toga matrica spremna do sklapanja nove molekule polimera. Jasno je da kao što se samo jedan novčić, jedno slovo može izliti na datu kalupu, tako se samo jedan polimer može "sastaviti" na datu matričnu molekulu.
Matrični tip reakcija- specifičnost hemije živih sistema. Oni su osnova temeljnog svojstva svih živih bića - njegove sposobnosti da reprodukuje svoju vrstu.
Reakcije sinteze matrice
1. DNK replikacija - replikacija (od lat. replicatio - obnavljanje) - proces sinteze kćerke molekule dezoksiribonukleinske kiseline na matrici roditeljskog molekula DNK. Tokom naknadne podjele matične ćelije, svaka ćelija kćerka prima jednu kopiju molekula DNK koja je identična DNK originalne matične ćelije. Ovaj proces osigurava tačan prijenos genetskih informacija s generacije na generaciju. Replikaciju DNK vrši složen enzimski kompleks, koji se sastoji od 15-20 različitih proteina, tzv. replisome . Materijal za sintezu su slobodni nukleotidi prisutni u citoplazmi ćelija. Biološko značenje replikacije leži u tačnom prenosu naslednih informacija sa roditeljskog molekula na ćerke, što se inače dešava tokom deobe somatskih ćelija.
Molekul DNK se sastoji od dva komplementarna lanca. Ovi lanci se drže zajedno slabim vodoničnim vezama koje se mogu razbiti enzimima. Molekul DNK je sposoban da se samo-udvostručuje (replikacija), a nova polovina se sintetizira na svakoj staroj polovini molekula.
Osim toga, molekul mRNA može se sintetizirati na molekulu DNK, koji zatim prenosi informacije primljene od DNK do mjesta sinteze proteina.
Prijenos informacija i sinteza proteina slijede matrični princip, uporediv s radom štamparije u štampariji. Informacije iz DNK se kopiraju iznova i iznova. Ukoliko dođe do grešaka tokom kopiranja, one će se ponoviti u svim narednim kopijama.
Istina, neke greške u kopiranju informacija molekulom DNK mogu se ispraviti - proces eliminacije grešaka se naziva reparacije. Prva od reakcija u procesu prijenosa informacija je replikacija molekule DNK i sinteza novih lanaca DNK.
2. Transkripcija (od latinskog transcriptio - prepisivanje) - proces sinteze RNK koristeći DNK kao šablon, koji se odvija u svim živim ćelijama. Drugim riječima, to je prijenos genetske informacije sa DNK na RNK.
Transkripciju katalizira enzim DNK-ovisna RNA polimeraza. RNK polimeraza se kreće duž molekule DNK u smjeru 3 " → 5". Transkripcija se sastoji od koraka inicijacija, elongacija i završetak . Jedinica transkripcije je operon, fragment molekule DNK koji se sastoji od promoter, transkribovani deo i terminator . i-RNA se sastoji od jednog lanca i sintetizira se na DNK u skladu s pravilom komplementarnosti uz sudjelovanje enzima koji aktivira početak i kraj sinteze i-RNA molekula.
Gotov molekul mRNA ulazi u citoplazmu na ribosomima, gdje se odvija sinteza polipeptidnih lanaca.
3. Broadcast (od lat. prevod- prijenos, kretanje) - proces sinteze proteina iz aminokiselina na matrici informacijske (matriks) RNK (mRNA, mRNA) koju provodi ribosom. Drugim riječima, ovo je proces prevođenja informacija sadržanih u nukleotidnoj sekvenci i-RNA u sekvencu aminokiselina u polipeptidu.
4. reverzna transkripcija je proces formiranja dvolančane DNK na osnovu informacija iz jednolančane RNK. Ovaj proces se naziva reverzna transkripcija, jer se prijenos genetske informacije odvija u "obrnutom" smjeru u odnosu na transkripciju. Ideja o reverznoj transkripciji u početku je bila vrlo nepopularna, jer je bila protiv centralne dogme molekularne biologije, koja je pretpostavljala da se DNK transkribuje u RNK, a zatim prevodi u proteine.
Međutim, 1970. Temin i Baltimore su nezavisno otkrili enzim tzv reverzna transkriptaza (revertaza)
, te je konačno potvrđena mogućnost reverzne transkripcije. Temin i Baltimore su 1975. dobili Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu. Neki virusi (kao što je virus ljudske imunodeficijencije koji uzrokuje HIV infekciju) imaju sposobnost transkripcije RNK u DNK. HIV ima RNA genom koji se integriše u DNK. Kao rezultat, DNK virusa se može kombinovati sa genomom ćelije domaćina. Glavni enzim odgovoran za sintezu DNK iz RNK tzv revertase. Jedna od funkcija reverseasea je stvaranje komplementarnu DNK
(cDNK) iz virusnog genoma. Povezani enzim ribonukleaza cijepa RNK, a reverznataza sintetizira cDNK iz dvostruke spirale DNK. cDNK je integrisana u genom ćelije domaćina pomoću integraze. Rezultat je sinteza virusnih proteina od strane ćelije domaćina koji formiraju nove viruse. U slučaju HIV-a takođe se programira apoptoza (ćelijska smrt) T-limfocita. U drugim slučajevima, ćelija može ostati distributer virusa.
Redoslijed matriksnih reakcija u biosintezi proteina može se predstaviti kao dijagram.
dakle, biosinteza proteina- ovo je jedna od vrsta plastične razmjene, tokom koje se nasljedne informacije kodirane u DNK genima realizuju u određenom nizu aminokiselina u proteinskim molekulima.
Proteinski molekuli su u suštini polipeptidnih lanaca sastoje se od pojedinačnih aminokiselina. Ali aminokiseline nisu dovoljno aktivne da se same povežu jedna s drugom. Stoga, prije nego što se spoje jedna s drugom i formiraju proteinski molekul, aminokiseline moraju aktivirati . Ova aktivacija se događa pod djelovanjem posebnih enzima.
Kao rezultat aktivacije, aminokiselina postaje labilnija i pod djelovanjem istog enzima se vezuje za t- RNA. Svaka aminokiselina odgovara striktno specifičnom t- RNA, koji pronalazi "svoju" aminokiselinu i izdrži u ribozom.
Stoga ribosom prima različite aktivirane aminokiseline povezane s njima T- RNA. Ribozom je sličan konvejer da sastavi proteinski lanac od raznih aminokiselina koje ulaze u njega.
Istovremeno sa t-RNA, na kojoj "sjedi" vlastita aminokiselina, " signal» iz DNK koja se nalazi u jezgru. U skladu s ovim signalom, u ribosomu se sintetizira jedan ili drugi protein.
Usmjeravajući utjecaj DNK na sintezu proteina ne vrši se direktno, već uz pomoć posebnog posrednika - matrica ili glasnička RNK (mRNA ili i-RNA), koji sintetizirana u jezgru Na njega ne utiče DNK, tako da njegov sastav odražava sastav DNK. Molekul RNK je, takoreći, odljevak oblika DNK. Sintetizirana mRNA ulazi u ribozom i, takoreći, prenosi je u ovu strukturu plan- kojim redosledom aktivirane aminokiseline koje ulaze u ribozom treba da se kombinuju jedna sa drugom da bi se sintetizovao određeni protein. inače, genetske informacije kodirane u DNK prenose se na mRNA, a zatim na protein.
Molekul mRNA ulazi u ribozom i treperi ona. Određuje se onaj njegov segment koji se trenutno nalazi u ribosomu kodon (trojka), stupa u interakciju na potpuno specifičan način sa strukturom koja mu odgovara triplet (antikodon) u prijenosnoj RNK koja je dovela aminokiselinu u ribosom.
Transfer RNA sa svojom aminokiselinom približava se određenom kodonu mRNA i povezuje s njim; do sljedećeg, susjednog mjesta i-RNA spaja drugu tRNA sa drugom amino kiselinom i tako sve dok se čitav i-RNA lanac ne pročita, dok se sve aminokiseline ne nanižu odgovarajućim redom, formirajući proteinski molekul. I t-RNA, koja je isporučila aminokiselinu na određeno mjesto polipeptidnog lanca, oslobođen od svoje aminokiseline i izlazi iz ribozoma.
Zatim ponovo u citoplazmi, željena amino kiselina može joj se pridružiti, a ona će je ponovo prenijeti na ribozom. U procesu sinteze proteina istovremeno je uključen ne jedan, već nekoliko ribozoma, poliribozoma.
Glavne faze prijenosa genetskih informacija:
1. Sinteza na DNK kao na mRNA šablonu (transkripcija)
2. Sinteza polipeptidnog lanca u ribosomima prema programu sadržanom u i-RNA (prevod)
.
Faze su univerzalne za sva živa bića, ali se vremenski i prostorni odnosi ovih procesa razlikuju kod pro- i eukariota.
At prokarioti transkripcija i translacija se mogu odvijati istovremeno jer se DNK nalazi u citoplazmi. At eukariota transkripcija i translacija su striktno odvojeni u prostoru i vremenu: u jezgri se odvija sinteza različitih RNK, nakon čega molekule RNK moraju napustiti jezgro, prolazeći kroz nuklearnu membranu. RNK se zatim transportuje u citoplazmi do mesta sinteze proteina.
Predavanje 5 Genetski kod
Definicija koncepta
Genetski kod je sistem za snimanje informacija o sekvenci aminokiselina u proteinima koristeći sekvencu nukleotida u DNK.
Pošto DNK nije direktno uključena u sintezu proteina, kod je napisan na jeziku RNK. RNK sadrži uracil umjesto timina.
Osobine genetskog koda
1. Trojstvo
Svaka aminokiselina je kodirana nizom od 3 nukleotida.
Definicija: Triplet ili kodon je niz od tri nukleotida koji kodira jednu aminokiselinu.
Kod ne može biti monoplet, jer je 4 (broj različitih nukleotida u DNK) manji od 20. Kod se ne može duplirati, jer 16 (broj kombinacija i permutacija 4 nukleotida za 2) je manji od 20. Kod može biti trostruk, jer 64 (broj kombinacija i permutacija od 4 do 3) je veći od 20.
2. Degeneracija.
Sve aminokiseline, s izuzetkom metionina i triptofana, kodirane su sa više od jednog tripleta:
2 AK za 1 trojku = 2.
9 AK x 2 trojke = 18.
1 AK 3 trojke = 3.
5 AK x 4 trojke = 20.
3 AK x 6 trojki = 18.
Ukupno 61 triplet kod za 20 aminokiselina.
3. Prisustvo intergenskih znakova interpunkcije.
definicija:
Gene je segment DNK koji kodira jedan polipeptidni lanac ili jedan molekul tPHK, rRNA ilisPHK.
GenitPHK, rPHK, sPHKproteini ne kodiraju.
Na kraju svakog gena koji kodira polipeptid, nalazi se najmanje jedan od 3 tripleta koji kodiraju RNK stop kodone, ili stop signale. U mRNA izgledaju ovako: UAA, UAG, UGA . Oni prekidaju (završavaju) emitovanje.
Konvencionalno, kodon se također primjenjuje na znakove interpunkcije AUG - prvi iza vodeće sekvence. (Vidi predavanje 8) Obavlja funkciju velikog slova. U ovoj poziciji kodira formilmetionin (kod prokariota).
4. Jedinstvenost.
Svaki triplet kodira samo jednu aminokiselinu ili je terminator translacije.
Izuzetak je kodon AUG . Kod prokariota, na prvoj poziciji (veliko slovo), šifrira formilmetionin, a na bilo kojoj drugoj poziciji kodira metionin.
5. Kompaktnost, odnosno odsustvo intragenskih znakova interpunkcije.
Unutar gena, svaki nukleotid je dio značajnog kodona.
Godine 1961. Seymour Benzer i Francis Crick su eksperimentalno dokazali da je kod trostruki i kompaktan.
Suština eksperimenta: "+" mutacija - umetanje jednog nukleotida. "-" mutacija - gubitak jednog nukleotida. Jedna mutacija "+" ili "-" na početku gena kvari cijeli gen. Dvostruka mutacija "+" ili "-" također kvari cijeli gen.
Trostruka mutacija "+" ili "-" na početku gena kvari samo dio gena. Četvorostruka mutacija "+" ili "-" opet kvari cijeli gen.
Eksperiment to dokazuje kod je triplet i unutar gena nema znakova interpunkcije. Eksperiment je izveden na dva susedna gena faga i pokazao je, pored toga, prisustvo znakova interpunkcije između gena.
6. Svestranost.
Genetski kod je isti za sva stvorenja koja žive na Zemlji.
Burrell je otvoren 1979. godine idealan ljudski mitohondrijski kod.
definicija:
“Ideal” je genetski kod u kojem je ispunjeno pravilo degeneracije kvazi-dublet koda: ako se prva dva nukleotida u dva tripleta poklapaju, a treći nukleotidi pripadaju istoj klasi (oba su purini ili su oba pirimidini) , onda ovi trojci kodiraju istu aminokiselinu.
Postoje dva izuzetka od ovog pravila u generičkom kodu. Oba odstupanja od idealnog koda u univerzalnom odnose se na temeljne točke: početak i kraj sinteze proteina:
kodon | Universal kod | Mitohondrijski kodovi |
|||
Kičmenjaci | Beskičmenjaci | Kvasac | Biljke |
||
STOP | STOP |
||||
Sa UA | |||||
A G A | STOP | ||||
STOP | 230 supstitucija ne mijenja klasu kodirane aminokiseline. do kidavosti. Godine 1956. Georgij Gamov je predložio varijantu koda koji se preklapa. Prema Gamow kodu, svaki nukleotid, počevši od trećeg u genu, dio je 3 kodona. Kada je genetski kod dešifrovan, pokazalo se da se ne preklapa, tj. svaki nukleotid je dio samo jednog kodona. Prednosti preklapanog genetskog koda: kompaktnost, manja zavisnost strukture proteina od insercije ili delecije nukleotida. Nedostatak: visoka zavisnost strukture proteina od supstitucije nukleotida i restrikcije na susjede. Godine 1976. sekvencionirana je DNK faga φX174. Ima jednolančanu kružnu DNK od 5375 nukleotida. Poznato je da fag kodira 9 proteina. Za njih 6 identifikovani su geni koji se nalaze jedan za drugim. Ispostavilo se da postoji preklapanje. E gen je u potpunosti unutar gena D . Njegov inicijacijski kodon pojavljuje se kao rezultat jednog nukleotidnog pomaka u očitavanju. Gene J počinje tamo gde gen završava D . Kodon inicijacije gena J preklapa se sa terminacijskim kodonom gena D zbog pomaka dva nukleotida. Dizajn se naziva "pomak okvira čitanja" pomoću broja nukleotida koji nije višekratnik tri. Do danas je preklapanje pokazano samo za nekoliko faga. Informacioni kapacitet DNK Na Zemlji ima 6 milijardi ljudi. Nasljedni podaci o njima 4x10 13 stranica knjige. Ove stranice bi zauzimale prostor od 6 zgrada NSU. 6x10 9 spermatozoida zauzimaju polovinu naprstka. Njihov DNK zauzima manje od četvrtine naprstka. | ||||
GENETSKI KOD(grčki, genetikos koji se odnosi na porijeklo; sin.: kod, biološki kod, kod aminokiselina, kod proteina, kod nukleinske kiseline) - sistem za snimanje nasljednih informacija u molekulima nukleinskih kiselina životinja, biljaka, bakterija i virusa naizmjeničnim redoslijedom nukleotida.
Genetske informacije (slika) iz ćelije u ćeliju, iz generacije u generaciju, sa izuzetkom virusa koji sadrže RNK, prenose se reduplikacijom molekula DNK (vidi Replikacija). Implementacija nasljedne informacije DNK u proces života ćelije odvija se kroz 3 vrste RNK: informacijsku (mRNA ili mRNA), ribosomalnu (rRNA) i transportnu (tRNA), koje se sintetiziraju na DNK kao na matriksu pomoću RNK. enzim polimeraze. Istovremeno, sekvenca nukleotida u molekulu DNK jedinstveno određuje sekvencu nukleotida u sva tri tipa RNK (vidi Transkripcija). Informaciju o genu (vidi) koji kodira proteinski molekul prenosi samo mRNA. Krajnji proizvod implementacije naslednih informacija je sinteza proteinskih molekula, čija je specifičnost određena redosledom njihovih aminokiselina (vidi prevod).
Pošto su samo 4 različite azotne baze prisutne u DNK ili RNK [u DNK - adenin (A), timin (T), gvanin (G), citozin (C); u RNK - adenin (A), uracil (U), citozin (C), gvanin (G)], čiji redosled određuje redosled 20 aminokiselina u proteinu, problem G. do., tj. problem prevođenja abecede od 4 slova nukleinskih kiselina u abecedu od 20 slova polipeptida.
Po prvi put, ideju o matričnoj sintezi proteinskih molekula sa ispravnim predviđanjem svojstava hipotetičke matrice formulirao je N.K. Koltsov 1928. Godine 1944. Avery i saradnici su ustanovili da su molekuli DNK odgovorni za prijenos nasljednih osobina tokom transformacije u pneumokoke. E. Chargaff je 1948. godine pokazao da u svim molekulima DNK postoji kvantitativna jednakost odgovarajućih nukleotida (A-T, G-C). Godine 1953. F. Crick, J. Watson i Wilkins (M. H. F. Wilkins), na osnovu ovog pravila i podataka iz analize rendgenske difrakcije (vidi), došli su do zaključka da je molekula DNK dvostruka spirala, koja se sastoji od dva polinukleotida. niti međusobno povezane vodoničnim vezama. Štaviše, samo T može biti lociran protiv A jednog lanca u drugom, a samo C protiv G. Ova komplementarnost dovodi do činjenice da nukleotidna sekvenca jednog lanca jedinstveno određuje sekvencu drugog. Drugi značajan zaključak koji slijedi iz ovog modela je da je molekul DNK sposoban za samoreprodukciju.
G. Gamow je 1954. godine formulisao G.-ov problem u njegovom modernom obliku. Godine 1957. F. Crick je izrazio Adaptersku hipotezu, pretpostavljajući da aminokiseline ne komuniciraju direktno sa nukleinskom kiselinom, već preko posrednika (sada poznatih kao tRNA). U godinama koje su uslijedile, eksperimentalno su potvrđene sve glavne veze u općoj shemi za prijenos genetskih informacija, u početku hipotetičke. Godine 1957. otkrivene su mRNA [A. S. Spirin, A. N. Belozersky i dr.; Folkin i Astrahan (E. Volkin, L. Astrachan)] i tRNA [Hoagland (M. V. Hoagland)]; 1960. godine, DNK je sintetizirana izvan ćelije koristeći postojeće DNK makromolekule kao šablon (A. Kornberg) i otkrivena je sinteza RNK zavisne od DNK [Weiss (S. V. Weiss) et al.]. Godine 1961. stvoren je sistem bez ćelija, u kojem su, u prisustvu prirodne RNK ili sintetičkih poliribonukleotida, sintetizovane supstance slične proteinima [M. Nirenberg i Matthaei (J. H. Matthaei)]. Problem spoznaje G. do. sastojao se u proučavanju općih svojstava koda i stvarnom dešifriranju istog, odnosno otkrivanju koje kombinacije nukleotida (kodona) kodiraju određene aminokiseline.
Opšta svojstva koda razjašnjena su bez obzira na njegovo dekodiranje i uglavnom prije njega analizom molekularnih obrazaca nastanka mutacija (F. Crick et al., 1961; N. V. Luchnik, 1963). Oni se svode na ovo:
1. Kod je univerzalan, tj. identičan, barem u glavnom, za sva živa bića.
2. Kod je triplet, odnosno svaka aminokiselina je kodirana trostrukom nukleotidom.
3. Kod se ne preklapa, tj. dati nukleotid ne može biti dio više od jednog kodona.
4. Kod je degenerisan, odnosno jedna aminokiselina može biti kodirana sa nekoliko tripleta.
5. Informacije o primarnoj strukturi proteina čitaju se iz mRNA uzastopno, počevši od fiksne tačke.
6. Većina mogućih trojki ima "značenje", tj. kodira aminokiseline.
7. Od tri "slova" kodona, samo dva (obavezna) su od primarnog značaja, dok treće (opciono) nosi mnogo manje informacija.
Direktno dekodiranje koda sastojalo bi se od poređenja nukleotidne sekvence u strukturnom genu (ili mRNA sintetizirane na njemu) sa sekvencom aminokiselina u odgovarajućem proteinu. Međutim, ovaj način je još uvijek tehnički nemoguć. Korišćena su još dva načina: sinteza proteina u sistemu bez ćelija korišćenjem veštačkih poliribonukleotida poznatog sastava kao matrice i analiza molekularnih obrazaca formiranja mutacija (videti). Prvi je ranije doneo pozitivne rezultate i istorijski je odigrao veliku ulogu u dešifrovanju G. to.
Godine 1961. M. Nirenberg i Mattei su kao matricu koristili homo-polimer - sintetičku poliuridilnu kiselinu (tj. umjetnu RNK sastava UUUU...) i dobili polifenilalanin. Iz ovoga je proizašlo da se kodon fenilalanina sastoji od nekoliko U, odnosno u slučaju tripletnog koda označava UUU. Kasnije su, uz homopolimere, korišteni poliribonukleotidi koji se sastoje od različitih nukleotida. U ovom slučaju je bio poznat samo sastav polimera, dok je raspored nukleotida u njima bio statistički, pa je analiza rezultata bila statistička i dala je indirektne zaključke. Vrlo brzo smo uspjeli pronaći barem jedan triplet za svih 20 aminokiselina. Pokazalo se da prisustvo organskih otapala, promjene pH ili temperature, nekih kationa i posebno antibiotika čine kod dvosmislenim: isti kodoni počinju stimulirati uključivanje drugih aminokiselina, u nekim slučajevima jedan kodon je počeo kodirati do četiri različite aminokiseline. Streptomicin je uticao na čitanje informacija kako u sistemima bez ćelija tako i in vivo, i bio je efikasan samo na bakterijskim sojevima osjetljivim na streptomicin. Kod sojeva zavisnih od streptomicina, "ispravio" je očitavanje kodona koji su se promijenili kao rezultat mutacije. Slični rezultati dali su razloga za sumnju u ispravnost G.-ovog dekodiranja do. uz pomoć sistema bez ćelija; bila je potrebna potvrda, i to prvenstveno in vivo podacima.
Glavni podaci o G. do. in vivo dobijeni su analizom aminokiselinskog sastava proteina u organizmima tretiranim mutagenima (vidjeti) s poznatim mehanizmom djelovanja, na primjer, dušikovim na-jedan, koji uzrokuje zamjenu C sa U i A od D. Korisne informacije daje i analiza mutacija uzrokovanih nespecifičnim mutagenima, poređenje razlika u primarnoj strukturi srodnih proteina kod različitih vrsta, korelacija između sastava DNK i proteina itd.
G.-ovo dekodiranje na osnovu podataka in vivo i in vitro dalo je podudarne rezultate. Kasnije su razvijene tri druge metode za dešifrovanje koda u sistemima bez ćelija: vezivanje aminoacil-tRNA (tj. tRNA sa vezanom aktiviranom amino kiselinom) sa trinukleotidima poznatog sastava (M. Nirenberg et al., 1965.), vezivanje aminoacil-tRNA sa polinukleotidima počevši od određenog tripleta (Mattei et al., 1966), te korištenje polimera kao mRNA, u kojoj je poznat ne samo sastav, već i redoslijed nukleotida (X. Korana et al. ., 1965). Sve tri metode se međusobno nadopunjuju, a rezultati su u skladu sa podacima dobijenim u eksperimentima in vivo.
70-ih godina. 20ti vijek postojale su metode posebno pouzdane provere rezultata dekodiranja G. do. Poznato je da se mutacije koje nastaju pod uticajem proflavina sastoje u gubitku ili ubacivanju odvojenih nukleotida što dovodi do pomeranja okvira čitanja. U fagu T4 proflavin je inducirao brojne mutacije u kojima se mijenjao sastav lizozima. Ovaj sastav je analiziran i upoređen sa onim kodonima koji su trebali biti dobijeni pomakom u okviru čitanja. Bilo je potpuno poklapanje. Dodatno, ova metoda je omogućila da se utvrdi koji tripleti degenerisanog koda kodiraju svaku od aminokiselina. Godine 1970. Adams (J. M. Adams) i njegovi saradnici uspjeli su djelomično dešifrirati G. to. direktnom metodom: u R17 fagu određena je bazna sekvenca u fragmentu dužine 57 nukleotida i upoređena sa sekvencom aminokiselina. njegov protein ljuske. Rezultati su se u potpunosti slagali sa onima dobijenim manje direktnim metodama. Dakle, kod je dešifrovan u potpunosti i ispravno.
Rezultati dekodiranja su sažeti u tabeli. Navodi sastav kodona i RNK. Sastav tRNA antikodona je komplementaran kodonima mRNA, tj. umjesto U sadrže A, umjesto A - U, umjesto C - G i umjesto G - C, i odgovara kodonima strukturnog gena (taj lanac od DNK, sa kojom se čitaju informacije) s jedinom razlikom što uracil zauzima mjesto timina. Od 64 tripleta koji se mogu formirati kombinacijom 4 nukleotida, 61 ima "smisao", tj. kodira aminokiseline, a 3 su "besmislene" (bez značenja). Postoji prilično jasna veza između sastava trojki i njihovog značenja, što je otkriveno čak i kada se analiziraju opšta svojstva koda. U nekim slučajevima, tripleti koji kodiraju određenu aminokiselinu (npr. prolin, alanin) karakterizira činjenica da su prva dva nukleotida (obavezna) ista, a treći (opciono) može biti bilo šta. U drugim slučajevima (kada se kodiraju, na primjer, asparagin, glutamin), dva slična tripleta imaju isto značenje, u kojima se prva dva nukleotida poklapaju, a bilo koji purin ili bilo koji pirimidin zauzima mjesto trećeg.
Besmisleni kodoni, od kojih 2 imaju posebna imena koja odgovaraju nazivu fagnih mutanata (UAA-oker, UAG-jantar, UGA-opal), iako ne kodiraju nijednu aminokiselinu, od velike su važnosti za čitanje informacija, kodiranje kraj polipeptidnog lanca.
Informacije se čitaju u pravcu od 5 1 -> 3 1 - do kraja nukleotidnog lanca (vidi Deoksiribonukleinske kiseline). U ovom slučaju, sinteza proteina teče od aminokiseline sa slobodnom amino grupom do aminokiseline sa slobodnom karboksilnom grupom. Početak sinteze je kodiran AUG i GUG tripletima, koji u ovom slučaju uključuju specifičnu početnu aminoacil-tRNA, odnosno N-formilmetionil-tRNA. Isti trojci, kada su lokalizovani unutar lanca, kodiraju metionin i valin, respektivno. Dvosmislenost otklanja činjenica da početku čitanja prethode gluposti. Postoje dokazi da se granica između mRNA regiona koji kodiraju različite proteine sastoji od više od dva tripleta i da se na tim mestima menja sekundarna struktura RNK; ovo pitanje je pod istragom. Ako se besmisleni kodon pojavi unutar strukturnog gena, tada se odgovarajući protein gradi samo do lokacije ovog kodona.
Otkriće i dekodiranje genetskog koda - izvanredno dostignuće molekularne biologije - uticalo je na sve biolističke nauke, u nekim slučajevima postavljajući temelje za razvoj posebnih velikih sekcija (vidi Molekularna genetika). Otvaranje G.-a i istraživanja povezana s njim upoređuju se sa onim efektom koji je na biol, nauke pružila Darwinova teorija.
Univerzalnost G. to je direktan dokaz univerzalnosti osnovnih molekularnih mehanizama života kod svih predstavnika organskog svijeta. U međuvremenu, velike razlike u funkcijama genetskog aparata i njegove strukture tijekom tranzicije od prokariota do eukariota i od jednoćelijskih u višećelijske vjerojatno su povezane s molekularnim razlikama, čije je proučavanje jedan od zadataka budućnosti. Budući da su G.-ova istraživanja o. samo stvar posljednjih godina, značaj dobijenih rezultata za praktičnu medicinu je samo posredne prirode, omogućavajući za sada razumjeti prirodu bolesti, mehanizam djelovanja patogena i lekovite supstance. Međutim, otkriće takvih fenomena kao što su transformacija (vidi), transdukcija (vidi), potiskivanje (vidi), ukazuje na temeljnu mogućnost korekcije patološki izmijenjene nasljedne informacije ili njene korekcije - tzv. genetski inženjering (vidi).
Table. GENETSKI KOD
|
Prvi nukleotid kodona |
Drugi nukleotid kodona |
Treće, nukleotid kodona |
|||||||
|
fenilalanin |
|||||||||
|
J Nonsense |
|||||||||
|
triptofan |
|||||||||
|
Histidin |
|||||||||
|
Glutaminska kiselina |
|||||||||
|
Izoleucin |
Aspartic |
||||||||
|
Metionin |
|||||||||
|
Asparagin |
|||||||||
|
Glutamin |
|||||||||
* Kodira kraj lanca.
** Također kodira početak lanca.
Bibliografija: Ichas M. Biološki kod, trans. sa engleskog, M., 1971; Archer N.B. Biofizika citogenetskih poraza i genetski kod, L., 1968; Molekularna genetika, trans. sa engleskog, ur. A. N. Belozersky, dio 1, M., 1964; Nukleinske kiseline, trans. sa engleskog, ur. A. N. Belozersky, Moskva, 1965. Watson JD Molekularna biologija gena, trans. sa engleskog, M., 1967; Fiziološka genetika, ur. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtoma-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonucleins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v „E. Geissler, B., 1972; Genetski kod, Gold Spr. Harb. Symp. quant. Biol., v. 31, 1966; W e s e C. R. Genetski kod, N. Y. a. o., 1967.
Genetski kod je sistem za beleženje naslednih informacija u molekulima nukleinskih kiselina, zasnovan na određenoj alternaciji nukleotidnih sekvenci u DNK ili RNK koje formiraju kodone koji odgovaraju amino kiselinama u proteinu.
Osobine genetskog koda.
Genetski kod ima nekoliko svojstava.
Trojstvo.
Degeneracija ili redundantnost.
Nedvosmislenost.
Polaritet.
Bez preklapanja.
Kompaktnost.
Svestranost.
Treba napomenuti da neki autori nude i druga svojstva koda vezana za hemijske karakteristike nukleotida uključenih u kod ili za učestalost pojavljivanja pojedinih aminokiselina u proteinima organizma itd. Međutim, ova svojstva proizilaze iz gore navedenog, pa ćemo ih tamo razmotriti.
A. Trojstvo. Genetski kod, kao i mnogi složeno organizirani sistemi, ima najmanju strukturnu i najmanju funkcionalnu jedinicu. Triplet je najmanja strukturna jedinica genetskog koda. Sastoji se od tri nukleotida. Kodon je najmanja funkcionalna jedinica genetskog koda. U pravilu, mRNA tripleti se nazivaju kodoni. U genetskom kodu, kodon obavlja nekoliko funkcija. Prvo, njegova glavna funkcija je da kodira jednu aminokiselinu. Drugo, kodon možda ne kodira aminokiselinu, ali u ovom slučaju ima drugačiju funkciju (vidi dolje). Kao što se može vidjeti iz definicije, trojka je koncept koji karakterizira osnovno strukturna jedinica genetski kod (tri nukleotida). kodon karakteriše elementarna semantička jedinica genom - tri nukleotida određuju vezanje za polipeptidni lanac jedne aminokiseline.
Elementarna strukturna jedinica je prvo teorijski dešifrovana, a zatim je eksperimentalno potvrđeno njeno postojanje. Zaista, 20 aminokiselina ne može biti kodirano jednim ili dva nukleotida. potonjih je samo 4. Tri od četiri nukleotida daju 4 3 = 64 varijante, što više nego pokriva broj aminokiselina prisutnih u živim organizmima (vidi tabelu 1).
Kombinacije nukleotida predstavljene u Tabeli 64 imaju dvije karakteristike. Prvo, od 64 varijante trojki, samo 61 je kodon i kodira bilo koju aminokiselinu, oni se nazivaju čulni kodoni. Tri trojke ne kodiraju
aminokiseline a su stop signali koji označavaju kraj translacije. Postoje tri takve trojke UAA, UAG, UGA, nazivaju se i "besmislenim" (besmisleni kodoni). Kao rezultat mutacije, koja je povezana sa zamjenom jednog nukleotida u tripletu s drugim, iz osjetilnog kodona može nastati besmisleni kodon. Ova vrsta mutacije se zove besmislica mutacija. Ako se takav stop signal formira unutar gena (u njegovom informativnom dijelu), tada će se tokom sinteze proteina na ovom mjestu proces stalno prekidati - sintetizirat će se samo prvi (prije stop signala) dio proteina. Osoba s takvom patologijom osjetit će nedostatak proteina i osjetit će simptome povezane s tim nedostatkom. Na primjer, ova vrsta mutacije je pronađena u genu koji kodira beta lanac hemoglobina. Sintetizira se skraćeni neaktivni lanac hemoglobina koji se brzo uništava. Kao rezultat, formira se molekul hemoglobina bez beta lanca. Jasno je da takav molekul vjerovatno neće u potpunosti ispuniti svoje dužnosti. Postoji ozbiljna bolest koja se razvija prema tipu hemolitičke anemije (beta-nula talasemija, od grčke reči "Talas" - Sredozemno more, gde je ova bolest prvi put otkrivena).
Mehanizam djelovanja stop kodona razlikuje se od mehanizma djelovanja čulnih kodona. Ovo proizilazi iz činjenice da su za sve kodone koji kodiraju aminokiseline pronađene odgovarajuće tRNA. Nisu pronađene tRNA za besmislene kodone. Stoga tRNA ne učestvuje u procesu zaustavljanja sinteze proteina.
kodonAUG (ponekad GUG u bakterijama) ne samo da kodira aminokiselinu metionin i valin, već je iinicijator emitovanja .
b. Degeneracija ili redundantnost.
61 od 64 tripleta kodira 20 aminokiselina. Takav trostruki višak broja tripleta u odnosu na broj aminokiselina sugerira da se u prijenosu informacija mogu koristiti dvije opcije kodiranja. Prvo, ne mogu sva 64 kodona biti uključena u kodiranje 20 aminokiselina, već samo 20, a drugo, aminokiseline mogu biti kodirane s nekoliko kodona. Istraživanja su pokazala da je priroda koristila potonju opciju.
Njegove preferencije su jasne. Kada bi samo 20 od 64 tripletne varijante bilo uključeno u kodiranje aminokiselina, onda bi 44 tripleta (od 64) ostala nekodirajuća, tj. besmisleni (besmisleni kodoni). Ranije smo istakli koliko je opasna za život ćelije transformacija kodirajućeg tripleta kao rezultat mutacije u besmisleni kodon - to značajno remeti normalan rad RNA polimeraze, što u konačnici dovodi do razvoja bolesti. Trenutno postoje tri besmislena kodona u našem genomu, a sada zamislite šta bi se dogodilo kada bi se broj besmislenih kodona povećao za oko 15 puta. Jasno je da će u takvoj situaciji prijelaz normalnih kodona u nonsens kodone biti nemjerljivo veći.
Kod u kojem je jedna aminokiselina kodirana s nekoliko tripleta naziva se degeneriranim ili redundantnim. Gotovo svaka aminokiselina ima nekoliko kodona. Dakle, aminokiselina leucin može biti kodirana sa šest tripleta - UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Valin je kodiran sa četiri trojke, fenilalanin sa dva i samo triptofan i metionin kodiran jednim kodonom. Poziva se svojstvo koje je povezano sa snimanjem istih informacija sa različitim znakovima degeneracija.
Broj kodona dodijeljenih jednoj aminokiselini dobro korelira sa učestalošću pojavljivanja aminokiseline u proteinima.
I to najvjerovatnije nije slučajno. Što je veća učestalost pojavljivanja aminokiseline u proteinu, što je kodon ove aminokiseline češće prisutan u genomu, veća je vjerovatnoća da će se ona oštetiti mutagenim faktorima. Stoga je jasno da je veća vjerovatnoća da će mutirani kodon kodirati istu aminokiselinu ako je jako degeneriran. Sa ovih pozicija, degeneracija genetskog koda je mehanizam koji štiti ljudski genom od oštećenja.
Treba napomenuti da se termin degeneracija u molekularnoj genetici koristi iu drugom smislu. Budući da glavni dio informacija u kodonu pada na prva dva nukleotida, pokazalo se da je baza na trećem mjestu kodona malo važna. Ovaj fenomen se naziva "degeneracija treće baze". Posljednja karakteristika minimizira učinak mutacija. Na primjer, poznato je da je glavna funkcija crvenih krvnih stanica transport kisika iz pluća u tkiva i ugljičnog dioksida iz tkiva u pluća. Ovu funkciju obavlja respiratorni pigment - hemoglobin, koji ispunjava cijelu citoplazmu eritrocita. Sastoji se od proteinskog dijela - globina, koji je kodiran odgovarajućim genom. Osim proteina, hemoglobin sadrži hem, koji sadrži željezo. Mutacije globinskih gena dovode do pojave različitih varijanti hemoglobina. Najčešće su mutacije povezane sa supstitucija jednog nukleotida drugim i pojava novog kodona u genu, koji može kodirati novu aminokiselinu u polipeptidnom lancu hemoglobina. U tripletu, kao rezultat mutacije, može se zamijeniti bilo koji nukleotid - prvi, drugi ili treći. Poznato je da nekoliko stotina mutacija utiče na integritet globinskih gena. Near 400 od kojih su povezani sa zamjenom pojedinačnih nukleotida u genu i odgovarajućom supstitucijom aminokiselina u polipeptidu. Od ovih, samo 100 supstitucije dovode do nestabilnosti hemoglobina i raznih vrsta bolesti od blagih do veoma teških. 300 (približno 64%) supstitucijskih mutacija ne utječu na funkciju hemoglobina i ne dovode do patologije. Jedan od razloga za to je gore spomenuta „degeneracija treće baze“, kada zamjena trećeg nukleotida u tripletu koji kodira serin, leucin, prolin, arginin i neke druge aminokiseline dovodi do pojave sinonimskog kodona. koji kodiraju istu aminokiselinu. Fenotipski, takva mutacija se neće manifestirati. Nasuprot tome, svaka zamjena prvog ili drugog nukleotida u tripletu u 100% slučajeva dovodi do pojave nove varijante hemoglobina. Ali čak iu ovom slučaju možda neće biti teških fenotipskih poremećaja. Razlog tome je zamjena aminokiseline u hemoglobinu drugom sličnom prvoj po fizičko-hemijskim svojstvima. Na primjer, ako je aminokiselina s hidrofilnim svojstvima zamijenjena drugom aminokiselinom, ali sa istim svojstvima.
Hemoglobin se sastoji od željezne porfirinske grupe hema (za nju su vezani molekuli kisika i ugljičnog dioksida) i proteina - globina. Hemoglobin odraslih (HbA) sadrži dva identična - lanci i dva -lanci. Molekula -lanac sadrži 141 aminokiselinski ostatak, - lanac - 146, - I -lanci se razlikuju po mnogim ostacima aminokiselina. Aminokiselinska sekvenca svakog globinskog lanca je kodirana vlastitim genom. Kodiranje gena - lanac se nalazi na kratkom kraku hromozoma 16, -gen - u kratkom kraku hromozoma 11. Promjena kodiranja gena - lanac hemoglobina prvog ili drugog nukleotida gotovo uvijek dovodi do pojave novih aminokiselina u proteinu, poremećaja funkcije hemoglobina i ozbiljnih posljedica za pacijenta. Na primjer, zamjena "C" u jednom od CAU (histidinskih) tripleta sa "U" će dovesti do pojave novog UAU tripleta koji kodira drugu aminokiselinu - tirozin. Fenotipski, to će se manifestirati u ozbiljnoj bolesti.. A slična zamjena na poziciji 63 -lanac histidinskog polipeptida do tirozina destabilizuje hemoglobin. Razvija se bolest methemoglobinemija. Promjena, kao rezultat mutacije, glutaminske kiseline u valin na 6. poziciji lanac je uzrok teške bolesti - anemije srpastih ćelija. Hajde da ne nastavljamo tužnu listu. Napominjemo samo da prilikom zamjene prva dva nukleotida aminokiselina može izgledati slično fizičko-hemijskim svojstvima prethodnoj. Dakle, zamjena 2. nukleotida u jednom od tripleta koji kodiraju glutaminsku kiselinu (GAA) u -lanac na “Y” dovodi do pojave novog tripleta (GUA) koji kodira valin, a zamjena prvog nukleotida sa “A” formira AAA triplet koji kodira aminokiselinu lizin. Glutaminska kiselina i lizin su slični po fizičko-hemijskim svojstvima - obje su hidrofilne. Valin je hidrofobna aminokiselina. Dakle, zamjena hidrofilne glutaminske kiseline hidrofobnim valinom značajno mijenja svojstva hemoglobina, što u konačnici dovodi do razvoja anemije srpastih stanica, dok zamjena hidrofilne glutaminske kiseline hidrofilnim lizinom u manjoj mjeri mijenja funkciju hemoglobina – pacijenti razviti blagi oblik anemije. Kao rezultat zamjene treće baze, novi triplet može kodirati iste aminokiseline kao i prethodni. Na primjer, ako je uracil zamijenjen citozinom u CAH tripletu i nastao je CAC triplet, tada se praktički neće otkriti nikakve fenotipske promjene kod osobe. To je razumljivo, jer Oba tripleta kodiraju istu aminokiselinu, histidin.
U zaključku, prikladno je naglasiti da su degeneracija genetskog koda i degeneracija treće baze sa opšte biološke pozicije zaštitni mehanizmi koji su ugrađeni u evoluciju u jedinstvenu strukturu DNK i RNK.
V. Nedvosmislenost.
Svaki triplet (osim besmislenih) kodira samo jednu aminokiselinu. Dakle, u pravcu kodon - aminokiselina, genetski kod je nedvosmislen, u pravcu aminokiselina - kodon - je dvosmislen (degenerisan).
nedvosmisleno
kodon aminokiselina
degenerisati
I u ovom slučaju, potreba za nedvosmislenošću u genetskom kodu je očigledna. U drugoj varijanti, tokom translacije istog kodona, različite aminokiseline bi se ubacile u proteinski lanac i kao rezultat bi se formirali proteini s različitim primarnim strukturama i različitim funkcijama. Metabolizam ćelije bi se prebacio na način rada "jedan gen - nekoliko polipeptida". Jasno je da bi u takvoj situaciji regulatorna funkcija gena bila potpuno izgubljena.
g. Polaritet
Čitanje informacija iz DNK i iz mRNA događa se samo u jednom smjeru. Polaritet je bitan za definisanje struktura višeg reda (sekundarne, tercijarne, itd.). Ranije smo govorili o tome da strukture nižeg reda određuju strukture višeg reda. Tercijarna struktura i strukture višeg reda u proteinima se formiraju odmah čim se sintetizirani lanac RNK udalji od molekule DNK ili se polipeptidni lanac udalji od ribozoma. Dok slobodni kraj RNK ili polipeptida dobija tercijarnu strukturu, drugi kraj lanca i dalje nastavlja da se sintetiše na DNK (ako je RNK transkribovana) ili ribosomu (ako je polipeptid transkribovan).
Stoga je jednosmjerni proces čitanja informacija (u sintezi RNK i proteina) neophodan ne samo za određivanje redoslijeda nukleotida ili aminokiselina u sintetiziranoj tvari, već i za kruto određivanje sekundarnih, tercijalnih itd. strukture.
e. Nepreklapanje.
Kod se može, ali i ne mora preklapati. Kod većine organizama kod se ne preklapa. Kod nekih faga je pronađen kod koji se preklapa.
Suština koda koji se ne preklapa je da nukleotid jednog kodona ne može biti nukleotid drugog kodona u isto vrijeme. Ako bi se kod preklapao, tada bi sekvenca od sedam nukleotida (GCUGCUG) mogla kodirati ne dvije aminokiseline (alanin-alanin) (slika 33, A) kao u slučaju koda koji se ne preklapa, već tri (ako je jedan nukleotid je uobičajeno) (slika 33, B) ili pet (ako su dva nukleotida zajednička) (vidi sliku 33, C). U posljednja dva slučaja, mutacija bilo kojeg nukleotida dovela bi do kršenja u nizu dva, tri, itd. amino kiseline.
Međutim, otkriveno je da mutacija jednog nukleotida uvijek poremeti uključivanje jedne aminokiseline u polipeptid. Ovo je značajan argument u prilog činjenici da se kod ne preklapa.
Objasnimo ovo na slici 34. Podebljane linije prikazuju triplete koji kodiraju aminokiseline u slučaju koda koji se ne preklapa i preklapa. Eksperimenti su nedvosmisleno pokazali da se genetski kod ne preklapa. Ne ulazeći u detalje eksperimenta, napominjemo da ako zamijenimo treći nukleotid u nukleotidnoj sekvenci (vidi sliku 34)At (označeno zvjezdicom) na neki drugi tada:
1. Sa kodom koji se ne preklapa, protein kontroliran ovom sekvencom bi imao zamjenu za jednu (prvu) aminokiselinu (označenu zvjezdicama).
2. Sa preklapajućim kodom u opciji A, došlo bi do zamjene u dvije (prve i druge) aminokiseline (označene zvjezdicama). Pod opcijom B, zamjena bi utjecala na tri aminokiseline (označene zvjezdicama).
Međutim, brojni eksperimenti su pokazali da kada se jedan nukleotid u DNK razbije, protein uvijek utiče na samo jednu aminokiselinu, što je tipično za kod koji se ne preklapa.
GCUGCUG GCUGCUG GCUGCUG
HCC HCC HCC UHC CUG HCC CUG UGC HCU CUG
*** *** *** *** *** ***
Alanin - Alanin Ala - Cys - Lei Ala - Lei - Lei - Ala - Lei
A B C
kod koji se ne preklapa, kod koji se preklapa
Rice. 34. Šema koja objašnjava prisustvo ne-preklapajućeg koda u genomu (objašnjenje u tekstu).
Nepreklapanje genetskog koda povezano je sa drugim svojstvom - čitanje informacija počinje od određene tačke - signala inicijacije. Takav inicijacijski signal u mRNA je kodon koji kodira AUG metionin.
Treba napomenuti da osoba još uvijek ima mali broj gena koji odstupaju od općeg pravila i preklapaju se.
e. Kompaktnost.
Između kodona nema znakova interpunkcije. Drugim riječima, trojke nisu odvojene jedna od druge, na primjer, jednim besmislenim nukleotidom. Eksperimentima je dokazano odsustvo "interpunkcijskih znakova" u genetskom kodu.
i. Svestranost.
Šifra je ista za sve organizme koji žive na Zemlji. Direktan dokaz univerzalnosti genetskog koda dobijen je poređenjem DNK sekvenci sa odgovarajućim proteinskim sekvencama. Ispostavilo se da se isti skupovi vrijednosti koda koriste u svim bakterijskim i eukariotskim genomima. Ima izuzetaka, ali ne mnogo.
Prvi izuzeci od univerzalnosti genetskog koda pronađeni su u mitohondrijima nekih životinjskih vrsta. Ovo se odnosilo na terminator kodon UGA, koji je glasio isto kao i UGG kodon koji kodira aminokiselinu triptofan. Pronađena su i druga rjeđa odstupanja od univerzalnosti.
DNK kodni sistem.
Genetski kod DNK sastoji se od 64 tripleta nukleotida. Ove trojke se nazivaju kodoni. Svaki kodon kodira jednu od 20 aminokiselina koje se koriste u sintezi proteina. Ovo daje određenu redundanciju u kodu: većina aminokiselina je kodirana s više od jednog kodona.
Jedan kodon obavlja dvije međusobno povezane funkcije: signalizira početak translacije i kodira ugradnju aminokiseline metionin (Met) u rastući polipeptidni lanac. Sistem DNK kodova je dizajniran tako da genetski kod može biti izražen ili kao RNK kodoni ili kao DNK kodoni. RNK kodoni se javljaju u RNK (mRNA) i ovi kodoni su u stanju da čitaju informacije tokom sinteze polipeptida (proces koji se zove translacija). Ali svaki molekul mRNA dobija nukleotidnu sekvencu u transkripciji iz odgovarajućeg gena.
Sve osim dvije aminokiseline (Met i Trp) mogu biti kodirane sa 2 do 6 različitih kodona. Međutim, genom većine organizama pokazuje da su određeni kodoni favorizirani u odnosu na druge. Kod ljudi, na primjer, alanin kodira GCC četiri puta češće nego GCG. Ovo vjerovatno ukazuje na veću efikasnost translacije translacionog aparata (npr. ribozoma) za neke kodone.
Genetski kod je gotovo univerzalan. Isti kodoni su dodijeljeni istom dijelu aminokiselina, a isti signali početka i zaustavljanja su uglavnom isti kod životinja, biljaka i mikroorganizama. Međutim, pronađeni su neki izuzeci. Većina njih uključuje dodjeljivanje jednog ili dva od tri stop kodona aminokiselini.
Genetski kod je način kodiranja sekvence aminokiselina u molekulu proteina koristeći sekvencu nukleotida u molekulu nukleinske kiseline. Svojstva genetskog koda proizilaze iz karakteristika ovog kodiranja.
Svaka aminokiselina proteina povezana je sa tri uzastopna nukleotida nukleinske kiseline - trojka, ili kodon. Svaki od nukleotida može sadržavati jednu od četiri azotne baze. U RNK jeste adenin(A) uracil(U) guanin(G) citozin(C). Kombinovanjem azotnih baza na različite načine (u ovom slučaju nukleotida koji ih sadrže) možete dobiti mnogo različitih tripleta: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC, itd. Ukupan broj mogućih kombinacija je 64, tj. 4 3 .
Proteini živih organizama sadrže oko 20 aminokiselina. Da je priroda "zamislila" da svaku aminokiselinu kodira ne sa tri, već sa dva nukleotida, onda raznolikost takvih parova ne bi bila dovoljna, jer bi ih bilo samo 16, tj. 4 2 .
dakle, glavno svojstvo genetskog koda je njegov triplet. Svaka aminokiselina je kodirana tripletom nukleotida.
Budući da postoji znatno više mogućih različitih tripleta od aminokiselina koje se koriste u biološkim molekulama, kao što je redundantnost genetski kod. Mnoge aminokiseline počele su biti kodirane ne jednim kodonom, već nekoliko. Na primjer, aminokiselinu glicin kodiraju četiri različita kodona: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundancija se također naziva degeneracija.
Podudarnost između aminokiselina i kodona se ogleda u obliku tabela. Na primjer, ove: 
U odnosu na nukleotide, genetski kod ima sljedeće osobine: jedinstvenost(ili specifičnost): svaki kodon odgovara samo jednoj aminokiselini. Na primjer, GGU kodon može kodirati samo glicin i nijednu drugu aminokiselinu.
Opet. Redundancija se odnosi na činjenicu da nekoliko tripleta može kodirati istu aminokiselinu. Specifičnost - svaki specifični kodon može kodirati samo jednu aminokiselinu.
U genetskom kodu nema posebnih znakova interpunkcije (osim stop kodona koji označavaju kraj sinteze polipeptida). Funkciju interpunkcijskih znakova obavljaju same trojke - kraj jednog znači da će drugi započeti sljedeći. To implicira sljedeća dva svojstva genetskog koda: kontinuitet I nepreklapanje. Kontinuitet se shvata kao čitanje trojki odmah jedne za drugom. Nepreklapanje znači da svaki nukleotid može biti dio samo jednog tripleta. Dakle, prvi nukleotid sljedećeg tripleta uvijek dolazi iza trećeg nukleotida prethodnog tripleta. Kodon ne može početi od drugog ili trećeg nukleotida prethodnog kodona. Drugim riječima, kod se ne preklapa.
Genetski kod ima svojstvo univerzalnost. To je isto za sve organizme na Zemlji, što ukazuje na jedinstvo nastanka života. Postoje vrlo rijetki izuzeci od ovoga. Na primjer, neki trojci mitohondrija i hloroplasta kodiraju aminokiseline koje nisu uobičajene. To može ukazivati na to da su u zoru razvoja života postojale malo drugačije varijacije genetskog koda.
Konačno, genetski kod ima otpornost na buku, što je posljedica njegovog svojstva viška. Tačkaste mutacije, koje se ponekad javljaju u DNK, obično rezultiraju zamjenom jedne dušične baze drugom. Ovo mijenja trojku. Na primjer, to je bio AAA, nakon mutacije je postao AAG. Međutim, takve promjene ne dovode uvijek do promjene aminokiseline u sintetiziranom polipeptidu, jer oba tripleta, zbog svojstva redundancije genetskog koda, mogu odgovarati jednoj aminokiselini. S obzirom da su mutacije češće štetne, korisno je svojstvo otpornosti na buku.