Kāda ir ģenētiskā koda unikalitātes īpašība. Ģenētiskā koda unikalitāte izpaužas faktā, ka

Civilkodeksa pirmsākumus raksturojošo rakstu sēriju var uzskatīt par tādu notikumu izmeklēšanu, par kuriem mums ir ļoti maz pēdu. Tomēr, lai izprastu šos rakstus, ir jāpieliek nelielas pūles, lai izprastu olbaltumvielu sintēzes molekulāros mehānismus. Šis raksts ir ievadraksts automātisko publikāciju sērijai, kas veltīta ģenētiskā koda izcelsmei, un tā ir labākā vieta, kur sākt iepazīšanos ar šo tēmu.
Parasti ģenētiskais kods (GC) ir definēta kā metode (noteikums) proteīna kodēšanai DNS vai RNS primārajā struktūrā. Literatūrā visbiežāk rakstīts, ka tā ir gēna trīs nukleotīdu secības viens pret vienu atbilstība vienai aminoskābei sintezētajā proteīnā jeb proteīna sintēzes beigu punkts. Tomēr šajā definīcijā ir divas kļūdas. Tas nozīmē 20 tā sauktās kanoniskās aminoskābes, kas ir daļa no visu dzīvo organismu proteīniem bez izņēmuma. Šīs aminoskābes ir olbaltumvielu monomēri. Kļūdas ir šādas:

1) Kanoniskās aminoskābes ir nevis 20, bet tikai 19. Par aminoskābi varam saukt vielu, kas vienlaikus satur aminogrupu -NH 2 un karboksilgrupu - COOH. Fakts ir tāds, ka proteīna monomērs - prolīns - nav aminoskābe, jo tajā aminogrupas vietā ir iminogrupa, tāpēc prolīnu ir pareizāk saukt par iminoskābi. Tomēr turpmāk visos rakstos par HA ērtības labad es rakstīšu par 20 aminoskābēm, norādot uz norādīto niansi. Aminoskābju struktūras ir parādītas attēlā. viens.

Rīsi. 1. Kanonisko aminoskābju struktūras. Aminoskābēm ir nemainīgas daļas, kas attēlā atzīmētas ar melnu krāsu, un mainīgas (vai radikāļi), kas atzīmētas ar sarkanu krāsu.

2) Aminoskābju atbilstība kodoniem ne vienmēr ir viennozīmīga. Tālāk skatiet unikalitātes gadījumu pārkāpumus.

HA rašanās nozīmē kodētu olbaltumvielu sintēzes rašanos. Šis notikums ir viens no galvenajiem notikumiem pirmo dzīvo organismu evolucionārai veidošanās procesā.

HA struktūra ir parādīta apļveida formā attēlā. 2.

Rīsi. 2. Ģenētiskais kods apļveida formā. Iekšējais aplis ir kodona pirmais burts, otrais aplis - kodona otrais burts, trešais aplis - kodona trešais burts, ceturtais aplis - aminoskābju apzīmējumi trīs burtu saīsinājumā; P - polārās aminoskābes, NP - nepolārās aminoskābes. Simetrijas skaidrības labad svarīga ir izvēlētā simbolu secība U-C-A-G.

Tātad, pāriesim pie HA galveno īpašību apraksta.

1. Trīskāršība. Katru aminoskābi kodē trīs nukleotīdu secība.

2. Starpģenētisko pieturzīmju klātbūtne. Starpgēnās pieturzīmes ietver nukleīnskābju sekvences, ar kurām sākas vai beidzas translācija.

Tulkojumu es nevaru sākt ar nevienu kodonu, bet tikai ar stingri noteiktu - sākot. Sākuma kodons ir AUG triplets, kas sāk tulkošanu. Šajā gadījumā šis triplets kodē vai nu metionīnu, vai citu aminoskābi formilmetionīnu (prokariotos), ko var ieslēgt tikai proteīna sintēzes sākumā. Katra gēna beigās, kas kodē polipeptīdu, ir vismaz viens no 3 beigu kodoni, vai bremžu lukturi: UAA, UAG, UGA. Tie pārtrauc translāciju (tā saukto proteīnu sintēzi ribosomā).

3. Kompaktums vai intragēnu pieturzīmju trūkums. Gēnā katrs nukleotīds ir daļa no nozīmīga kodona.

4. Nepārklājas. Kodoni nepārklājas viens ar otru, katram ir savs sakārtots nukleotīdu kopums, kas nepārklājas ar līdzīgām blakus esošo kodonu kopām.

5. Deģenerācija. Apgrieztā atbilstība aminoskābju kodonu virzienā ir neskaidra. Šo īpašību sauc par deģenerāciju. sērija ir kodonu kopums, kas kodē vienu aminoskābi, citiem vārdiem sakot, tā ir grupa līdzvērtīgi kodoni. Padomājiet par kodonu kā XYZ. Ja XY definē “nozīmi” (t.i., aminoskābi), tad kodonu sauc stiprs. Ja kodona nozīmes noteikšanai nepieciešams noteikts Z, tad šādu kodonu sauc vājš.

Koda deģenerācija ir cieši saistīta ar kodona un antikodona savienojuma neskaidrību (antikodons nozīmē trīs nukleotīdu secību uz tRNS, kas var komplementāri savienoties ar kodonu uz kurjera RNS (sīkāk skatiet divus rakstus: Molekulārie mehānismi koda deģenerācijas nodrošināšanai un Lāgerkvista noteikums. Simetriju un Rūmera attiecību fizikāli ķīmiskais pamatojums). Viens antikodons uz tRNS var atpazīt vienu līdz trīs kodonus uz vienu mRNS.

6.Nepārprotamība. Katrs triplets kodē tikai vienu aminoskābi vai ir translācijas terminators.

Ir zināmi trīs izņēmumi.

Pirmkārt. Prokariotiem pirmajā pozīcijā (lielais burts) tas kodē formilmetionīnu, bet jebkurā citā - metionīnu.Gēna sākumā formilmetionīnu kodē gan parastais AUG metionīna kodons, gan arī GUG valīna kodons jeb UUG. leicīna kodons, kas gēna iekšpusē kodē attiecīgi valīnu un leicīnu.

Daudzos proteīnos formilmetionīns tiek atdalīts vai formilgrupa tiek noņemta, kā rezultātā formilmetionīns tiek pārveidots par parasto metionīnu.

Otrkārt. 1986. gadā vairākas pētnieku grupas uzreiz atklāja, ka mRNS UGA terminācijas kodons var kodēt selenocisteīnu (skat. 3. attēlu), ja tam seko īpaša nukleotīdu secība.

Rīsi. 3. 21. aminoskābes struktūra - selenocisteīns.

Plkst E. coli(tas ir Escherichia coli latīņu nosaukums) selenocisteil-tRNS translācijas laikā un atpazīst UGA kodonu mRNS, bet tikai noteiktā kontekstā e: lai UGA kodons tiktu atpazīts kā nozīmīgs, 45 nukleotīdu gara secība, kas atrodas pēc UGA kodons ir svarīgs.

Aplūkotais piemērs parāda, ka nepieciešamības gadījumā dzīvs organisms var mainīt standarta ģenētiskā koda nozīmi. Šajā gadījumā gēnos esošā ģenētiskā informācija tiek kodēta sarežģītākā veidā. Kodona nozīme tiek noteikta e kontekstā ar noteiktu garu nukleotīdu secību un piedaloties vairākiem ļoti specifiskiem proteīna faktoriem. Ir svarīgi, ka selenocisteīna tRNS tika atrasts visu trīs dzīvības nozaru pārstāvjiem (arhejas, eubaktērijas un eikarioti), kas norāda uz selenocisteīna sintēzes izcelsmes senatni un, iespējams, tās klātbūtni pēdējā universālajā priekštecī ( tas tiks apspriests citos rakstos). Visticamāk, selenocisteīns ir atrodams visos dzīvajos organismos bez izņēmuma. Bet katrā atsevišķā organismā selenocisteīns ir atrodams ne vairāk kā pāris desmitos olbaltumvielu. Tā ir daļa no enzīmu aktīvajām vietām, kuru vairākos homologos parastais cisteīns var darboties līdzīgā pozīcijā.

Vēl nesen tika uzskatīts, ka UGA kodonu var nolasīt vai nu kā selenocisteīnu, vai kā termināli, taču nesen tika pierādīts, ka ciliātos Euplotes UGA kodons kodē vai nu cisteīnu, vai selenocisteīnu. cm." Ģenētiskais kods pieļauj neatbilstības"

Trešais izņēmums. Dažos prokariotos (5 arheju sugas un viena eibaktērija - informācija Vikipēdijā ir ļoti novecojusi) ir īpaša skābe - pirolizīns (4. att.). To kodē UAG triplets, kas kanoniskajā kodā kalpo kā tulkošanas terminators. Tiek pieņemts, ka šajā gadījumā, tāpat kā selenocisteīna kodēšanas gadījumā, UAG kā pirolizīna kodona nolasīšana notiek īpašas mRNS struktūras dēļ. Pirolizīna tRNS satur antikodonu CTA un tiek aminoacilēts ar 2. klases APCāzēm (APCāžu klasifikāciju skatiet rakstā "Kodāzes palīdz saprast, kā ģenētiskais kods ").

UAG tiek reti izmantots kā stopkodons, un, ja tas ir, tam bieži seko cits stopkodons.

Rīsi. 4. Pirolizīna 22. aminoskābes uzbūve.

7. Daudzpusība. Pēc tam, kad pagājušā gadsimta 60. gadu vidū tika pabeigta Civilkodeksa atšifrēšana, ilgu laiku tika uzskatīts, ka kods ir vienāds visos organismos, kas norāda uz visas dzīvības izcelsmes vienotību uz Zemes.

Mēģināsim saprast, kāpēc GC ir universāls. Fakts ir tāds, ka, ja organismā tiktu mainīts vismaz viens kodēšanas noteikums, tas novestu pie tā, ka ievērojamas proteīnu daļas struktūra mainītos. Šādas izmaiņas būtu pārāk dramatiskas un tāpēc gandrīz vienmēr letālas, jo tikai viena kodona nozīmes izmaiņas var ietekmēt vidēji 1/64 no visām aminoskābju sekvencēm.

No tā izriet viena ļoti svarīga doma – HA gandrīz nav mainījusies kopš tās izveidošanās pirms vairāk nekā 3,5 miljardiem gadu. Un tāpēc tās struktūrai ir tās rašanās pēdas, un šīs struktūras analīze var palīdzēt saprast, kā tieši GC varētu rasties.

Patiesībā HA var nedaudz atšķirties baktērijās, mitohondrijās, dažu ciliātu kodolkodā un raugos. Tagad ir vismaz 17 ģenētiskie kodi, kas no kanoniskā atšķiras ar 1-5 kodoniem.Kopumā visos zināmajos noviržu variantos no universālā GC tiek izmantoti 18 dažādi kodona nozīmes aizvietojumi. Lielākā daļa noviržu no standarta koda ir zināmas mitohondrijās – 10. Jāatzīmē, ka mugurkaulnieku mitohondriji, plakanie tārpi, adatādaiņus, kodē dažādi kodi, bet pelējuma sēnītes, vienšūņus un koelenterātus – ar vienu.

Sugu evolucionārais tuvums nekādā gadījumā negarantē, ka tām ir līdzīgi GC. Ģenētiskie kodi var atšķirties pat starp dažādi veidi mikoplazmas (dažām sugām ir kanoniskais kods, bet citām ir atšķirīgas). Līdzīga situācija tiek novērota rauga gadījumā.

Ir svarīgi atzīmēt, ka mitohondriji ir simbiotisku organismu pēcteči, kas ir pielāgojušies dzīvot šūnās. Viņiem ir ļoti samazināts genoms, daži gēni ir pārcēlušies uz šūnas kodolu. Tāpēc HA izmaiņas tajos vairs nav tik dramatiskas.

Vēlāk atklātie izņēmumi ir īpaši interesanti no evolūcijas viedokļa, jo tie var palīdzēt izgaismot koda evolūcijas mehānismus.

1. tabula.

Mitohondriju kodi dažādos organismos.

Trīs mehānismi koda kodētās aminoskābes maiņai.

Pirmais ir tad, kad kāds organisms kādu kodonu neizmanto (vai gandrīz neizmanto) dažu nukleotīdu (GC sastāva) vai nukleotīdu kombināciju nevienmērīgas parādīšanās dēļ. Rezultātā šāds kodons var pilnībā izzust no lietošanas (piemēram, attiecīgās tRNS zuduma dēļ), un nākotnē ar to var kodēt citu aminoskābi, nenodarot būtisku kaitējumu organismam. Šis mehānisms, iespējams, ir atbildīgs par dažu kodu dialektu parādīšanos mitohondrijās.

Otrais ir stopkodona pārvēršana jaunā nozīmē. Šajā gadījumā dažiem tulkotajiem proteīniem var būt papildinājumi. Taču situāciju daļēji glābj tas, ka daudzi gēni nereti beidzas ar nevis vienu, bet diviem stopkodoniem, jo ​​iespējamas translācijas kļūdas, kurās stopkodoni tiek nolasīti kā aminoskābes.

Trešais ir dažu kodonu iespējama neskaidra nolasīšana, kā tas notiek dažās sēnēs.

8 . Savienojamība. Tiek sauktas ekvivalentu kodonu grupas (tas ir, kodoni, kas kodē vienu un to pašu aminoskābi). sērija. GC satur 21 sēriju, ieskaitot stopkodonus. Turpmāk, lai noteiktu, tiks saukta jebkura kodonu grupa sakari, ja no katra šīs grupas kodona ir iespējams pāriet uz visiem pārējiem tās pašas grupas kodoniem ar secīgām nukleotīdu aizstāšanām. No 21 sērijas ir savienotas 18. 2 sērijas satur pa vienam kodonam, un tikai 1 sērija aminoskābes serīnam ir nesaistīta un sadalās 2 savienotās apakšsērijās.

Rīsi. 5. Savienojamības grafiki dažām kodu sērijām. a - savienota valīna sērija; b - savienota leicīna sērija; serīna sērija nav saistīta, sadaloties divās savienotās apakšsērijās. Attēls ņemts no V.A. raksta. Ratners " Ģenētiskais kods kā sistēma."

Savienojamības īpašība skaidrojama ar to, ka veidošanās periodā HA uztvēra jaunus kodonus, kas minimāli atšķīrās no jau izmantotajiem.

9. Regularitāte aminoskābju īpašības pēc trīnīšu saknēm. Visas aminoskābes, ko kodē U tripleti, ir nepolāras, tām nav ārkārtēju īpašību un izmēra, un tām ir alifātiski radikāļi. Visiem C-saknes tripletiem ir spēcīgas bāzes, un to kodētās aminoskābes ir salīdzinoši mazas. Visiem trīnīšiem ar sakni A ir vājas bāzes un tie kodē ne-sīkas polāras aminoskābes. G-saknes kodonus raksturo ekstrēmi un patoloģiski aminoskābju un sēriju varianti. Tie kodē mazāko aminoskābi (glicīnu), garāko un plakanāko (triptofānu), garāko un "neveiklāko" (arginīnu), visreaktīvāko (cisteīnu) un veido serīna neparastu apakškopu.

10. Bloķētība. Universālais CC ir "bloka" kods. Tas nozīmē, ka aminoskābes ar līdzīgām fizikāli ķīmiskajām īpašībām kodē kodoni, kas atšķiras viens no otra ar vienu bāzi. Koda bloķēšana ir skaidri redzama nākamajā attēlā.

Rīsi. 6. Civilkodeksa bloku struktūra. Baltā krāsa norāda aminoskābes ar alkilgrupu.

Rīsi. 7. Aminoskābju fizikāli ķīmisko īpašību krāsu attēlojums, pamatojoties uz grāmatā aprakstītajām vērtībāmStyers "Bioķīmija". Pa kreisi - hidrofobitāte. Labajā pusē iespēja veidot alfa spirāli proteīnā. Sarkanā, dzeltenā un zilā krāsa norāda uz aminoskābēm ar augstu, vidēju un zemu hidrofobitāti (pa kreisi) vai atbilstošu spēju veidot alfa spirāli (pa labi).

Bloķētības un regularitātes īpašība skaidrojama arī ar to, ka veidošanās periodā HA tvēra jaunus kodonus, kas minimāli atšķīrās no jau izmantotajiem.

Kodoni ar vienu un to pašu pirmo bāzi (kodona prefiksu) kodē aminoskābes ar līdzīgiem biosintēzes ceļiem. Aminoskābju kodoniem, kas pieder šikimāta, piruvāta, aspartāta un glutamāta saimei, ir attiecīgi prefiksi U, G, A un C. Senās aminoskābju biosintēzes ceļus un tās saistību ar mūsdienu koda īpašībām skatiet sadaļā "Senais dublets ģenētiskais kods iepriekš noteica aminoskābju sintēze ". Pamatojoties uz šiem datiem, daži pētnieki secina, ka koda veidošanās liela ietekme radīja biosintētiskas attiecības starp aminoskābēm. Tomēr biosintēzes ceļu līdzība nebūt nenozīmē fizikāli ķīmisko īpašību līdzību.

11. Trokšņa imunitāte. Pašā vispārējs skats GC trokšņu imunitāte nozīmē, ka ar nejaušām punktu mutācijām un tulkošanas kļūdām, un tas ļoti nemainās fizikāli ķīmiskās īpašības aminoskābes.

Viena nukleotīda aizstāšana tripletā vairumā gadījumu vai nu neizraisa kodētās aminoskābes aizstāšanu, vai arī noved pie aizstāšanas ar aminoskābi ar tādu pašu polaritāti.

Viens no mehānismiem, kas nodrošina GK trokšņu noturību, ir tā deģenerācija. Vidējā deģenerācija ir - kodēto signālu skaits/kopējais kodonu skaits, kur kodētie signāli ietver 20 aminoskābes un translācijas beigu zīmi. Vidējā deģenerācija visām aminoskābēm un beigu zīme ir trīs kodoni uz vienu kodētu signālu.

Lai kvantitatīvi noteiktu trokšņa imunitāti, mēs ieviešam divus jēdzienus. Nukleotīdu aizvietojumu mutācijas, kas neizraisa izmaiņas kodētās aminoskābes klasē, sauc konservatīvs. Tiek sauktas nukleotīdu aizvietošanas mutācijas, kas maina kodētās aminoskābes klasi radikāls .

Katrs triplets pieļauj 9 atsevišķas aizstāšanas. Kopumā ir 61 triplets, kas kodē aminoskābes, tāpēc iespējamo nukleotīdu aizvietotāju skaits visiem kodoniem ir

61 x 9 = 549. No tiem:

23 nukleotīdu aizstāšanas rezultātā veidojas stopkodoni.

134 aizvietojumi nemaina kodēto aminoskābi.
230 aizstāšanas nemaina kodētās aminoskābes klasi.
162 aizstāšanas rezultātā mainās aminoskābju klase, t.i. ir radikālas.
No 183 3. nukleotīda aizvietojumiem 7 izraisa translācijas terminatoru parādīšanos, un 176 ir konservatīvi.
No 183 1. nukleotīda aizvietojumiem 9 izraisa terminatoru parādīšanos, 114 ir konservatīvas un 60 ir radikālas.
No 183 2. nukleotīda aizvietojumiem 7 izraisa terminatoru parādīšanos, 74 ir konservatīvas un 102 ir radikālas.

Pamatojoties uz šiem aprēķiniem, mēs iegūstam koda trokšņu noturības kvantitatīvu novērtējumu kā konservatīvo nomaiņu skaita attiecību pret radikālo nomaiņu skaitu. Tas ir vienāds ar 364/162=2,25

Reāli novērtējot deģenerācijas ietekmi uz trokšņa imunitāti, ir jāņem vērā aminoskābju sastopamības biežums olbaltumvielās, kas dažādās sugās atšķiras.

Kāds ir koda trokšņu noturības iemesls? Lielākā daļa pētnieku uzskata, ka šī īpašība ir alternatīvu HA izvēles sekas.

Stīvens Frīlends un Lorenss Hērsts nejauši ģenerēja šādus kodus un atklāja, ka tikai vienam no simts alternatīvajiem kodiem ir ne mazāka trokšņu noturība kā universālajam GC.
Pat vairāk interesants fakts tika atklāts, kad šie pētnieki ieviesa papildu ierobežojumu, lai ņemtu vērā faktiskās tendences DNS mutāciju modeļos un translācijas kļūdas. Šādos apstākļos TIKAI VIENS KODS NO MILJONA IESPĒJAMĀ izrādījās labāks par kanonisko kodu.
Šāds bezprecedenta ģenētiskā koda vitalitāte visvieglāk izskaidrojama ar to, ka tas veidojies ģenētiskā koda rezultātā. dabiskā izlase. Varbūt kādreiz iekšā bioloģiskā pasaule bija daudz kodu, katrs ar savu kļūdu jutību. Organisms, kas ar tiem tika galā labāk, izdzīvoja, un kanoniskais kods vienkārši uzvarēja cīņā par eksistenci. Šis pieņēmums šķiet diezgan reāls - galu galā mēs zinām, ka alternatīvi kodi pastāv. Plašāku informāciju par trokšņu noturību skatīt Coded Evolution (S. Frīlends, L. Hērsts "Code Evolution".//Zinātnes pasaulē. - 2004, Nr. 7).

Noslēgumā es ierosinu saskaitīt iespējamo ģenētisko kodu skaitu, ko var ģenerēt 20 kanoniskajām aminoskābēm. Kādu iemeslu dēļ šis skaitlis man nekad nav ticis. Tātad mums ir vajadzīgas 20 aminoskābes un apstāšanās signāls, ko ģenerētajos GC kodē VISMAZ VIENS KODONS.

Garīgi mēs numurēsim kodonus noteiktā secībā. Mēs argumentēsim šādi. Ja mums ir tieši 21 kodons, tad katra aminoskābe un apstāšanās signāls aizņems tieši vienu kodonu. Šajā gadījumā būs 21 iespējamais GC!

Ja ir 22 kodoni, tad parādās papildu kodons, kuram var būt viena no jebkuras 21 nozīmes, un šis kodons var atrasties jebkurā no 22 vietām, savukārt pārējiem kodoniem ir tieši viena atšķirīga nozīme y, kā gadījumā 21 kodons. Tad iegūstam kombināciju skaitu 21!x(21x22).

Ja ir 23 kodoni, tad argumentējot līdzīgi, mēs iegūstam, ka 21 kodonam ir tieši viena atšķirīga s nozīme (21! opcijas), un diviem kodoniem ir 21 atšķirīga a nozīme (21 2 s nozīmes šo kodonu FIKSĒTĀ pozīcijā ). Numurs dažādi noteikumišiem diviem kodoniem būs 23x22. Kopējais skaits GK varianti 23 kodoniem - 21!x21 2x23x22

Ja ir 24 kodoni, tad GC skaits būs 21!x21 3 x24x23x22, ...

....................................................................................................................

Ja ir 64 kodoni, tad iespējamo GC skaits būs 21!x21 43x64!/21! = 21 43 x64! ~ 9,1 x 10 145

Izglītības un zinātnes ministrija Krievijas Federācija federālā aģentūra izglītības jomā

Valsts izglītības iestāde augstāks profesionālā izglītība"Altaja štats Tehniskā universitāte viņiem. I.I. Polzunovs"

Dabaszinātņu un sistēmu analīzes katedra

Eseja par tēmu "Ģenētiskais kods"

1. Ģenētiskā koda jēdziens

3. Ģenētiskā informācija

Bibliogrāfija

1. Ģenētiskā koda jēdziens

Ģenētiskais kods ir vienota reģistrēšanas sistēma, kas raksturīga dzīviem organismiem iedzimta informācija molekulās nukleīnskābes kā nukleotīdu secība. Katrs nukleotīds tiek apzīmēts ar lielo burtu, ar kuru sākas tajā ietilpstošās slāpekļa bāzes nosaukums: - A (A) adenīns; - G (G) guanīns; - C (C) citozīns; - T (T) timīns (DNS) vai U (U) uracils (mRNS).

Ģenētiskā koda ieviešana šūnā notiek divos posmos: transkripcijā un translācijā.

Pirmais no tiem notiek kodolā; tas sastāv no mRNS molekulu sintēzes attiecīgajās DNS sekcijās. Šajā gadījumā DNS nukleotīdu secība tiek "pārrakstīta" RNS nukleotīdu secībā. Otrais posms notiek citoplazmā, uz ribosomām; šajā gadījumā i-RNS nukleotīdu secība tiek pārvērsta proteīna aminoskābju secībā: šajā posmā piedalās pārneses RNS (t-RNS) un attiecīgie fermenti.

2. Ģenētiskā koda īpašības

1. Trīskāršība

Katru aminoskābi kodē 3 nukleotīdu secība.

Triplets vai kodons ir trīs nukleotīdu secība, kas kodē vienu aminoskābi.

Kods nevar būt monoplets, jo 4 (dažādu nukleotīdu skaits DNS) ir mazāks par 20. Kods nevar būt dubults, jo 16 (4 nukleotīdu kombināciju un permutāciju skaits pa 2) ir mazāks par 20. Kods var būt triplets, jo 64 (kombināciju un permutāciju skaits no 4 līdz 3) ir lielāks par 20.

2. Deģenerācija.

Visas aminoskābes, izņemot metionīnu un triptofānu, kodē vairāk nekā viens triplets: 2 aminoskābes 1 triplets = 2 9 aminoskābes 2 tripleti katra = 18 1 aminoskābe 3 tripleti = 3 5 aminoskābes 4 tripleti katra = 20 3 aminoskābes 6 tripleti katrs = 18 Kopā 61 tripleta kods 20 aminoskābēm.

3. Starpgēnu pieturzīmju klātbūtne.

Gēns ir DNS daļa, kas kodē vienu polipeptīdu ķēdi vai vienu tRNS, rRNS vai sRNS molekulu.

tRNS, rRNS un sRNS gēni nekodē proteīnus.

Katra gēna, kas kodē polipeptīdu, beigās ir vismaz viens no 3 terminācijas kodoniem jeb stop signāliem: UAA, UAG, UGA. Viņi pārtrauc pārraidi.

Parasti AUG kodons pieder arī pieturzīmēm - pirmajam pēc līdera secības. Tas pilda lielā burta funkciju. Šajā pozīcijā tas kodē formilmetionīnu (prokariotos).

4. Unikalitāte.

Katrs triplets kodē tikai vienu aminoskābi vai ir translācijas terminators.

Izņēmums ir AUG kodons. Prokariotos pirmajā pozīcijā (lielais burts) tas kodē formilmetionīnu, bet jebkurā citā pozīcijā tas kodē metionīnu.

5. Kompaktums vai intragēnu pieturzīmju trūkums.

Gēnā katrs nukleotīds ir daļa no nozīmīga kodona.

1961. gadā Seymour Benzer un Francis Crick eksperimentāli pierādīja, ka kods ir trīskāršs un kompakts.

Eksperimenta būtība: "+" mutācija - viena nukleotīda ievietošana. "-" mutācija - viena nukleotīda zudums. Viena "+" vai "-" mutācija gēna sākumā sabojā visu gēnu. Dubultā "+" vai "-" mutācija arī sabojā visu gēnu. Trīskāršā "+" vai "-" mutācija gēna sākumā sabojā tikai daļu no tā. Četrkārša "+" vai "-" mutācija atkal sabojā visu gēnu.

Eksperiments pierāda, ka kods ir trīskāršs un gēna iekšpusē nav pieturzīmju. Eksperiments tika veikts ar diviem blakus esošiem fāgu gēniem un turklāt parādīja, ka starp gēniem ir pieturzīmes.

3. Ģenētiskā informācija

Ģenētiskā informācija ir organisma īpašību programma, kas saņemta no senčiem un iestrādāta iedzimtajās struktūrās ģenētiskā koda veidā.

Tiek pieņemts, ka ģenētiskās informācijas veidošanās noritēja pēc shēmas: ģeoķīmiskie procesi - minerālu veidošanās - evolūcijas katalīze (autokatalīze).

Iespējams, ka pirmie primitīvie gēni bija māla mikrokristāliski kristāli, un katrs jaunais māla slānis sarindojas atbilstoši iepriekšējā strukturālajām iezīmēm, it kā saņemot no tā informāciju par struktūru.

Ģenētiskās informācijas realizācija notiek proteīnu molekulu sintēzes procesā ar trīs RNS palīdzību: informatīvā (mRNS), transporta (tRNS) un ribosomālā (rRNS). Informācijas nodošanas process notiek: - pa tiešās komunikācijas kanālu: DNS - RNS - proteīns; un - pa kanālu atsauksmes: vide - proteīns - DNS.

Dzīvie organismi spēj saņemt, uzglabāt un pārraidīt informāciju. Turklāt dzīvie organismi mēdz pēc iespējas efektīvāk izmantot saņemto informāciju par sevi un apkārtējo pasauli. Iedzimta informācija, kas ir iestrādāta gēnos un ir nepieciešama dzīvam organismam pastāvēšanai, attīstībai un vairošanai, no katra indivīda tiek nodota viņa pēcnācējiem. Šī informācija nosaka organisma attīstības virzienu, un tā mijiedarbības procesā ar vidi var tikt izkropļota reakcija uz tā indivīdu, tādējādi nodrošinot pēcnācēju attīstības evolūciju. Dzīva organisma evolūcijas procesā rodas un paliek atmiņā jauna informācija, tai skaitā informācijas vērtība tai pieaug.

Iedzimtas informācijas ieviešanas laikā noteiktos apstākļos ārējā vide veidojas dotās bioloģiskās sugas organismu fenotips.

Ģenētiskā informācija nosaka organisma morfoloģisko uzbūvi, augšanu, attīstību, vielmaiņu, garīgo noliktavu, noslieci uz slimībām un organisma ģenētiskos defektus.

Daudzi zinātnieki, pamatoti uzsverot informācijas lomu dzīvo būtņu veidošanā un evolūcijā, atzīmēja šo apstākli kā vienu no galvenajiem dzīves kritērijiem. Tātad, V.I. Karagodins uzskata: "Dzīvais ir tāda informācijas un tās kodēto struktūru eksistences forma, kas nodrošina šīs informācijas reproducēšanu piemērotos vides apstākļos." Informācijas saistību ar dzīvi atzīmē arī A.A. Ļapunovs: "Dzīve ir ļoti sakārtots matērijas stāvoklis, kas izmanto informāciju, ko kodē atsevišķu molekulu stāvokļi, lai attīstītu pastāvīgas reakcijas." Mūsu pazīstamais astrofiziķis N.S. Kardaševs uzsver arī dzīves informatīvo komponentu: “Dzīve rodas, pateicoties iespējai sintezēt īpaša veida molekulas, kas spēj atcerēties un sākumā izmantot visvienkāršāko informāciju par vidi un sava struktūra, ko izmanto pašsaglabāšanās, vairošanās un, kas mums ir īpaši svarīga, vēl vairāk informācijas iegūšanai. ”Uz šo dzīvo organismu spēju uzglabāt un pārraidīt informāciju vērš uzmanību ekologs F. Tiplers. savā grāmatā Nemirstības fizika: “Es definēju dzīvi kā kaut kādu kodētu informāciju, ko saglabā dabiskā atlase.” Turklāt viņš uzskata, ka, ja tas tā ir, tad dzīvības informācijas sistēma ir mūžīga, bezgalīga un nemirstīga.

Ģenētiskā koda atklāšana un modeļu noteikšana molekulārajā bioloģijā parādīja nepieciešamību apvienot mūsdienu ģenētiku un Darvina evolūcijas teoriju. Tādējādi radās jauna bioloģiskā paradigma - sintētiskā evolūcijas teorija (STE), ko jau var uzskatīt par neklasisko bioloģiju.

Galvenās Darvina evolūcijas idejas ar viņa triādi - iedzimtība, mainīgums, dabiskā atlase - mūsdienu skatījumā uz dzīvās pasaules evolūciju tiek papildinātas ar priekšstatiem ne tikai par dabisko atlasi, bet par tādu atlasi, kas ir ģenētiski noteikta. Par sintētiskās jeb vispārējās evolūcijas attīstības sākumu var uzskatīt S.S. Četverikovs par populācijas ģenētiku, kurā tika parādīts, ka atlasei tiek pakļautas nevis atsevišķas pazīmes un indivīdi, bet gan visas populācijas genotips, bet tas tiek veikts caur fenotipiskās iezīmes atsevišķas personas. Tas noved pie labvēlīgu izmaiņu izplatīšanās visā populācijā. Tādējādi evolūcijas mehānisms tiek īstenots gan ar nejaušām mutācijām ģenētiskā līmenī, gan pārmantojot vērtīgākās pazīmes (informācijas vērtība!), kas nosaka mutācijas pazīmju pielāgošanos videi, nodrošinot dzīvotspējīgākos pēcnācējus. .

Sezonas klimata izmaiņas, dažādas dabas vai cilvēka izraisītas katastrofas no vienas puses, tie izraisa izmaiņas gēnu atkārtošanās biežumā populācijās un līdz ar to arī iedzimtības mainīguma samazināšanos. Šo procesu dažreiz sauc par ģenētisko novirzi. Un no otras puses, uz dažādu mutāciju koncentrācijas izmaiņām un populācijā ietverto genotipu daudzveidības samazināšanos, kas var izraisīt selekcijas darbības virziena un intensitātes izmaiņas.

4. Cilvēka ģenētiskā koda atšifrēšana

2006. gada maijā zinātnieki, kas strādāja pie cilvēka genoma atšifrēšanas, publicēja pilnīgu 1. hromosomas ģenētisko karti, kas bija pēdējā nepilnīgi sekvencētā cilvēka hromosoma.

Provizoriskā cilvēka ģenētiskā karte tika publicēta 2003. gadā, iezīmējot cilvēka genoma projekta oficiālās beigas. Tās ietvaros tika sekvencēti genoma fragmenti, kas satur 99% cilvēka gēnu. Gēnu identifikācijas precizitāte bija 99,99%. Tomēr projekta beigās tikai četras no 24 hromosomām bija pilnībā sekvencētas. Fakts ir tāds, ka papildus gēniem hromosomas satur fragmentus, kas nekodē nekādas pazīmes un nav iesaistīti olbaltumvielu sintēzē. Šo fragmentu loma organisma dzīvē joprojām nav zināma, taču arvien vairāk pētnieku sliecas uzskatīt, ka viņu izpētei ir jāpievērš vislielākā uzmanība.

Tie sarindojas ķēdēs un tādējādi tiek iegūtas ģenētisko burtu secības.

Ģenētiskais kods

Gandrīz visu dzīvo organismu olbaltumvielas ir veidotas tikai no 20 veidu aminoskābēm. Šīs aminoskābes sauc par kanoniskām. Katrs proteīns ir ķēde vai vairākas aminoskābju ķēdes, kas savienotas stingri noteiktā secībā. Šī secība nosaka proteīna struktūru un līdz ar to arī visas tā bioloģiskās īpašības.

CUU (Leu/L)Leicīns
CUC (Leu/L)Leicīns
CUA (Leu/L)Leicīns
CUG (Leu/L) Leicīns

Dažos proteīnos nestandarta aminoskābes, piemēram, selenocisteīns un pirolizīns, tiek ievietotas ar stopkodonu lasīšanas ribosomu, kas ir atkarīga no sekvencēm mRNS. Selenocisteīns tagad tiek uzskatīts par 21. un pirolizīnu par 22. aminoskābi, kas veido olbaltumvielas.

Neskatoties uz šiem izņēmumiem, visiem dzīviem organismiem ir ģenētiskais kods kopīgas iezīmes: kodons sastāv no trim nukleotīdiem, kur pirmie divi ir definējoši, kodonus tRNS un ribosomas pārvērš aminoskābju secībā.

Ideju vēsture par ģenētisko kodu

Tomēr 1960. gadu sākumā jauni dati atklāja "komatu bez koda" hipotēzes neveiksmi. Pēc tam eksperimenti parādīja, ka kodoni, kurus Kriks uzskatīja par bezjēdzīgiem, var provocēt olbaltumvielu sintēzi mēģenē, un līdz 1965. gadam tika noskaidrota visu 64 tripletu nozīme. Izrādījās, ka daži kodoni ir vienkārši lieki, tas ir, vairākas aminoskābes kodē divi, četri vai pat seši tripleti.

Skatīt arī

Piezīmes

1. Ģenētiskais kods atbalsta divu aminoskābju mērķtiecīgu ievietošanu ar vienu kodonu. Turanov AA, Lobanov AV, Fomenko DE, Morrison HG, Sogin ML, Klobutcher LA, Hatfield DL, Gladyshev VN. Zinātne. 2009. gada 9. janvāris; 323(5911): 259-61.
2. AUG kodons kodē metionīnu, bet kalpo arī kā sākuma kodons - parasti translācija sākas no pirmā mRNS AUG kodona.
3. NCBI: "Ģenētiskie kodi", sastādījuši Andžejs (Andžejs) Elzanovskis un Džims Ostels
4. Jukes TH, Osawa S, Ģenētiskais kods mitohondrijās un hloroplastos., Pieredze. 1990. gada 1. decembris; 46(11-12): 1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (1992. gada marts). "Jaunākie pierādījumi par ģenētiskā koda attīstību". mikrobiols. Rev. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
6. SANGER F. (1952). "Aminoskābju izkārtojums olbaltumvielās." Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
7. M. Ichas bioloģiskais kods. - Miers, 1971. gads.
8. WATSON JD, CRICK FH. (1953. gada aprīlis). «Nukleīnskābju molekulārā struktūra; dezoksiribozes nukleīnskābes struktūra." Daba 171 : 737-738. PMID 13054692.
9. WATSON JD, CRICK FH. (1953. gada maijs). "Dezoksiribonukleīnskābes struktūras ģenētiskās sekas". Daba 171 : 964-967. PMID 13063483.
10. Kriks F.H. (1966. gada aprīlis). "Ģenētiskais kods - vakar, šodien un rīt." Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
11. G. GAMOW (1954. gada februāris). "Iespējamā saistība starp dezoksiribonukleīnskābes un olbaltumvielu struktūrām". Daba 173 : 318. DOI: 10.1038/173318a0 . PMID 13882203.
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). "Problēma par informācijas pārnešanu no nukleīnskābēm uz olbaltumvielām." Adv Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
13. Gamow G, Ycas M. (1955). PROTEĪNU UN RIBONUKLĒĪNSKĀBES SASTĀVDA STATISTISKĀ KORELĀCIJA. ". Proc Natl Acad Sci U S A. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). KODI BEZ KOMATIEM. ". Proc Natl Acad Sci U S A. 43 : 416-421. PMID 16590032.
15. Hejs B. (1998). "Ģenētiskā koda izgudrojums." (PDF atkārtota izdruka). Amerikāņu zinātnieks 86 : 8-14.

Literatūra

• Azimovs A. Ģenētiskais kods. No evolūcijas teorijas līdz DNS dekodēšanai. - M.: Tsentrpoligraf, 2006. - 208 s - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ratners V. A. Ģenētiskais kods kā sistēma - Sorosa izglītības žurnāls, 2000, 6, Nr.3, 17.-22.lpp.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Olbaltumvielu ģenētiskā koda vispārīgais raksturs - Nature, 1961 (192), pp. 1227-32

Saites

• Ģenētiskais kods- raksts no Lielās padomju enciklopēdijas

Wikimedia fonds. 2010 .

Dažādu organismu ģenētiskajam kodam ir dažas kopīgas īpašības:
1) Trīskāršība. Jebkuras informācijas, arī iedzimtības, ierakstīšanai tiek izmantots noteikts šifrs, kura elements ir burts vai simbols. Šādu simbolu kolekcija veido alfabētu. Atsevišķi ziņojumi tiek rakstīti kā rakstzīmju kombinācija, ko sauc par kodu grupām vai kodoniem. Ir zināms alfabēts, kas sastāv tikai no divām rakstzīmēm - tas ir Morzes kods. DNS ir 4 burti – slāpekļa bāzu nosaukumu pirmie burti (A, G, T, C), kas nozīmē, ka ģenētiskais alfabēts sastāv tikai no 4 rakstzīmēm. Kas ir kodu grupa jeb, vārdu sakot, ģenētiskais kods? Ir zināmas 20 pamata aminoskābes, kuru saturs jāieraksta ģenētiskajā kodā, t.i., 4 burtiem jādod 20 koda vārdi. Pieņemsim, ka vārds sastāv no vienas rakstzīmes, tad mēs iegūsim tikai 4 kodu grupas. Ja vārds sastāv no divām rakstzīmēm, tad būs tikai 16 šādas grupas, un ar to acīmredzami nepietiek, lai kodētu 20 aminoskābes. Tāpēc koda vārdā ir jābūt vismaz 3 nukleotīdiem, kas dos 64 (43) kombinācijas. Šis tripletu kombināciju skaits ir pilnīgi pietiekams, lai kodētu visas aminoskābes. Tādējādi ģenētiskā koda kodons ir nukleotīdu triplets.
2) Deģenerācija (redundance) - ģenētiskā koda īpašība, kas, no vienas puses, sastāv no tā, ka tajā ir lieki tripleti, t.i., sinonīmi, un, no otras puses, "bezjēdzīgi" tripleti. Tā kā kods ietver 64 kombinācijas un ir kodētas tikai 20 aminoskābes, dažas aminoskābes kodē vairāki tripleti (arginīns, serīns, leicīns - seši; valīns, prolīns, alanīns, glicīns, treonīns - četri; izoleicīns - trīs; fenilalanīns, tirozīns, histidīns, lizīns, asparagīns, glutamīns, cisteīns, asparagīnskābe un glutamīnskābe - divas; metionīns un triptofāns - viens triplets). Dažas kodu grupas (UAA, UAG, UGA) vispār nenes semantisko slodzi, t.i., tie ir "bezjēdzīgi" trīskārši. “Bezjēdzīgi” jeb muļķīgi kodoni darbojas kā ķēdes terminatori – pieturzīmes ģenētiskajā tekstā – kalpo kā signāls proteīnu ķēdes sintēzes beigām. Šī koda dublēšana ir liela nozīme uzlabot ģenētiskās informācijas pārraides uzticamību.
3) Nepārklājas. Koda tripleti nekad nepārklājas, t.i., tie vienmēr tiek pārraidīti kopā. Nolasot informāciju no DNS molekulas, nav iespējams izmantot viena tripleta slāpekļa bāzi kombinācijā ar cita tripleta bāzēm.
4) Unikalitāte. Nav gadījumu, kad viens un tas pats triplets atbilstu vairāk nekā vienai skābei.
5) Atdalošo rakstzīmju trūkums gēnā. Ģenētiskais kods tiek nolasīts no noteiktas vietas bez komatiem.
6) Daudzpusība. Plkst dažāda veida dzīvie organismi (vīrusi, baktērijas, augi, sēnes un dzīvnieki), tie paši tripleti kodē vienas un tās pašas aminoskābes.
7) Sugas specifika. Slāpekļa bāzu skaits un secība DNS ķēdē atšķiras atkarībā no organisma.

Ģenētiskais kods ir īpašs iedzimtas informācijas kodējums ar molekulu palīdzību, uz kura pamata gēni atbilstoši kontrolē olbaltumvielu un enzīmu sintēzi organismā, tādējādi nosakot vielmaiņu. Savukārt atsevišķu proteīnu struktūru un to funkcijas nosaka aminoskābju - proteīna molekulas struktūrvienību - atrašanās vieta un sastāvs.

Pagājušā gadsimta vidū tika identificēti gēni, kas ir atsevišķas sadaļas (saīsināti kā DNS). Nukleotīdu saites veido raksturīgu dubultķēdi, kas samontēta spirāles formā.

Zinātnieki ir atklājuši saistību starp gēniem un atsevišķu olbaltumvielu ķīmisko struktūru, kuras būtība ir tāda, ka aminoskābju strukturālā secība proteīna molekulās pilnībā atbilst nukleotīdu secībai gēnā. Konstatējuši šo saistību, zinātnieki nolēma atšifrēt ģenētisko kodu, t.i. noteikt atbilstības likumus starp nukleotīdu strukturālajām secībām DNS un aminoskābēm olbaltumvielās.

Ir tikai četri nukleotīdu veidi:

1) A - adenilgrupa;

2) G - guanilgrupa;

3) T - timidilgrupa;

4) C - citidils.

Olbaltumvielas satur divdesmit veidu neaizvietojamās aminoskābes. Grūtības radās ar ģenētiskā koda atšifrēšanu, jo tajā ir daudz mazāk nukleotīdu nekā aminoskābju. Risinot šo problēmu, tika ierosināts, ka aminoskābes kodē dažādas trīs nukleotīdu kombinācijas (tā sauktais kodons vai triplets).

Turklāt bija precīzi jāpaskaidro, kā trīnīši atrodas gar gēnu. Tādējādi radās trīs galvenās teoriju grupas:

1) trīnīši nepārtraukti seko viens otram, t.i. veido nepārtrauktu kodu;

2) trīnīši tiek izkārtoti, mainot "bezjēdzīgas" sadaļas, t.i. kodā veido tā sauktos "komatus" un "punktus";

3) trīnīši var pārklāties, t.i. pirmā tripleta beigas var būt nākamā sākums.

Pašlaik galvenokārt tiek izmantota koda nepārtrauktības teorija.

Ģenētiskais kods un tā īpašības

1) Kods ir triplets – tas sastāv no patvaļīgām trīs nukleotīdu kombinācijām, kas veido kodonus.

2) ģenētiskais kods ir lieks – tā tripleti. Vienu aminoskābi var kodēt vairāki kodoni, jo saskaņā ar matemātiskiem aprēķiniem kodonu ir trīs reizes vairāk nekā aminoskābju. Daži kodoni veic noteiktas beigu funkcijas: daži var būt "apturēšanas signāli", kas programmē aminoskābju ķēdes ražošanas beigas, bet citi var norādīt uz koda lasīšanas sākšanu.

3) Ģenētiskais kods ir nepārprotams – katram no kodoniem var atbilst tikai viena aminoskābe.

4) Ģenētiskais kods ir kolineārs, t.i. nukleotīdu secība un aminoskābju secība skaidri atbilst viens otram.

5) Kods ir rakstīts nepārtraukti un kompakti, tajā nav "bezjēdzīgu" nukleotīdu. Tas sākas ar noteiktu tripletu, kuru bez pārtraukuma aizstāj ar nākamo un beidzas ar beigu kodonu.

6) Ģenētiskais kods ir universāls – jebkura organisma gēni tieši tāpat kodē informāciju par olbaltumvielām. Tas nav atkarīgs no organisma organizācijas sarežģītības līmeņa vai tā sistēmiskā stāvokļa.

mūsdienu zinātne liecina, ka ģenētiskais kods rodas tieši no jauna organisma piedzimšanas no kaulu vielas. Nejaušas izmaiņas un evolūcijas procesi padara iespējamus jebkādus koda variantus, t.i. aminoskābes var pārkārtot jebkurā secībā. Kāpēc šāda veida kods izdzīvoja evolūcijas gaitā, kāpēc kods ir universāls un tam ir līdzīga struktūra? Jo vairāk zinātne uzzina par ģenētiskā koda fenomenu, jo vairāk rodas jaunu noslēpumu.