Aminoacizi codificați genetic. Principiul codificării secvențelor de aminoacizi - Knowledge Hypermarket. Ce este codul genetic
Marca creatorului Filatov Felix Petrovici
Capitolul 496. De ce există douăzeci de aminoacizi codificați? (XII)
De ce există douăzeci de aminoacizi codificați? (XII)
Un cititor neexperimentat i se poate părea că elementele mașinii de codificare genetică au fost descrise atât de detaliat în capitolul anterior, încât până la sfârșitul lecturii a început chiar să obosească cumva, simțind că începutul cărții, care l-a intrigat oarecum. , se transformă în pagini dintr-un manual de liceu care poate descuraja pe oricine își amintește de școala natală. Cititorul cu experiență, dimpotrivă, știe bine tot ce s-a spus și el, păcătos, se gândește dacă să scrie el însuși un manual mai recent - pentru aceleași clase superioare. Fără să te gândești să distrezi lumea mândră– cu alte cuvinte, fără a intenționa să plictisească niciunul, Autorul dorește să sublinieze că înțelege: diavolul e în detalii. Dar sunt atât de multe în biologia moleculară încât orice formalizare pare o simplificare revoltătoare. Cu toate acestea, se întâmplă adesea ca tentația de a formaliza să fie irezistibilă, iar aici Autorul nu se poate nega plăcerea de a-l cita din nou pe filozoful spaniol José Ortega y Gasset:
« Culoarea gri este ascetică. Acesta este simbolismul său în limbajul de zi cu zi, iar Goethe sugerează acest simbol: „Teoria, prietene, este uscată, dar arborele vieții devine verde”. Cel mai mult poate face o culoare care nu vrea să fie culoare este să devină gri; dar viața pare un copac verde – ce extravaganță!.. Dorința elegantă de a prefera culoarea gri minunatei și contradictorii extravaganțe de culoare a vieții ne conduce la teoretizare. În teorie, schimbăm realitatea cu acel aspect al acesteia, care sunt concepte. În loc să trăim în ea, ne gândim la asta. Dar cine știe dacă în spatele acestui evident ascetism și retragere din viață, care se află gândirea pură, cea mai completă formă de vitalitate, cel mai înalt lux al ei?
- Bravo, Jose! Exact asta cred – chiar sunt convins de asta.
Principalul, deși mai mic ca volum, restul cărții, la care se îndreaptă acum autorul, este dedicat formalizării, teoretizării, schemelor și proiectării codului genetic. Prima ipoteză formală a structurii codului genetic oferă un posibil răspuns la întrebarea de ce există exact douăzeci de aminoacizi codificați .
În 1954, Gamow a fost primul care a arătat că „ când 4 nucleotide sunt combinate în tripleți, se obțin 64 de combinații, ceea ce este suficient pentru a înregistra informații ereditare" El a fost primul care a propus că aminoacizii sunt codificați de tripleți de nucleotide și și-a exprimat speranța că „Unii dintre oamenii de știință mai tineri vor trăi pentru a-l vedea [codul genetic] descifrat”. În 1968, americanii Robert Holley, Har Korana și Marshall Nirenberg au primit Premiul Nobel pentru descifrarea codului genetic. Premiul a fost acordat după moartea lui George Gamow, în același an, cu patru luni mai devreme.
Numerele 64 (capacitatea codului teoretic) și 20 (capacitatea reală de codare, adică numărul de aminoacizi codificați) formează raportul dintre regulile combinatorice pentru plasări și combinații cu repetări: numărul A de plasări (seturi ordonate) cu repetări de la r (r = 3; mărimea codonului) elemente ale unei mulțimi M care conține k (k = 4; număr de baze) elemente este egal cu
A k r= k r= A 4 3= 64,
iar numărul C de combinații cu repetiții de k elemente în r, adică orice submulțime de 3 elemente dintr-o mulțime care conține 4 elemente, este egal cu:
Cu k r= [(k+r-1)!] : = C 4 3= 20.
Acest lucru duce imediat la ideea că evoluția codului genetic ar putea începe cu etapa de codificare „set”, când produsul a fost codificat nu prin secvența de baze triplete, ci prin setul lor, adică două grupuri de codoni, cum ar fi, de exemplu, SAA, CA, AAS sau TGC, TCG, GCT, GTC, CTG, CGT au fost echivalente din punct de vedere funcțional (în cadrul grupului) și fiecare a direcționat sinteza aceluiași aminoacid. Considerații similare vin în minte când citim lucrările lui Ishigami și Nagano (1975), cu ideea lor că fiecare aminoacid primar ar putea corespunde unei game largi de codoni, și a lui Folsom (1977) și Trainor (1984), cu ideea lor de permutarea bazei în triplet. Evident, un număr mai mic de codoni nu a furnizat diversitatea necesară de produse și b O Restul a fost redundant și, cel puțin, nu corespundea numărului de aminoacizi cunoscut astăzi. La un moment dat am avut și o contribuție (foarte) modestă la aceste idei, observând că numărul de combinații de 4 De 3 ilustrat cu repetări prin numărul de stări cuantice ale unui gaz Bose cu trei particule cu patru stări proprii cuantice probabile54.
Mai târziu, Gamow a propus o schemă de implementare a codului genetic, care presupunea asamblarea unei polipeptide direct pe o moleculă de ADN. Conform acestui model, fiecare aminoacid este plasat într-o indentare rombică între patru nucleotide, câte două din fiecare dintre lanțurile complementare. Deși un astfel de diamant este format din patru nucleotide și, prin urmare, numărul de combinații este de 256, din cauza restricțiilor asociate cu legăturile de hidrogen ale reziduurilor de nucleotide, sunt posibile doar 20 de variante de astfel de diamante. Această schemă, numită cod de diamant, sugerează o corelație între resturile succesive de aminoacizi, deoarece două nucleotide apar întotdeauna în două diamante adiacente (cod suprapus). Cercetările ulterioare au arătat, totuși, că acest model Gamow nu este de acord cu datele experimentale.
Dacă capacitatea codului genetic ar fi folosită fără rezervă, adică pentru fiecare triplet îi corespunde doar un aminoacid, securitatea acestuia ar fi foarte îndoielnică: orice mutație de nucleotide ar putea fi catastrofală. În cazul versiunii actuale, o treime din mutațiile punctuale aleatoare apar în ultimele litere ale codonilor, dintre care jumătate (codonii octetului eu) nu este deloc sensibil la mutații: a treia literă a codonului poate fi oricare dintre cele patru - T, C, A sau G. Rezistența la mutațiile punctuale ale codonilor octet II este în mare măsură determinată de doi factori - (1) posibilitatea înlocuirii arbitrare a celei de-a treia baze (deși atunci când alegeți doar dintre două - fie purine, fie pirimidine), care nu schimbă deloc aminoacidul codificat și (2) posibilitatea de înlocuire a purinelor cu pirimidine și invers, care păstrează hidrofilitatea/hidrofobicitatea produselor similare, deși nu păstrează masa acestora. Astfel, Natura folosește o „reacție” extrem de reușită numită degenerare cod, când caracterul codificat corespunde mai mult de un caracter de codificare.
Evoluția a rafinat succesiv funcțiile fiecăreia dintre cele trei baze ale codonului, ceea ce a condus în cele din urmă la tripletitatea strictă a doar doi codoni: ATG- Pentru M(metionină) și TTG- Pentru W(triptofan). Bazat pe capacitatea unui triplet de a codifica numai unu aminoacizi, îi clasificăm pe acești doi drept grupul de degenerare eu. Când produsul este codificat de un dublu fix de baze, iar a treia poate fi oricare dintre patru posibil și servește de fapt ca separator între dubletele funcționale, ei vorbesc despre aminoacizi din grupul de degenerare IV; Există opt astfel de aminoacizi: alanina, A, arginină, R, valina, V, glicina, G, leucina, L, prolina, P, serină, S, treonina, T. Codonul generalizat pentru fiecare aminoacid din acest grup, de exemplu, leucina, este scris după cum urmează: SFN (N -bază arbitrară).
Douăsprezece produse codificate aparțin grupului de degenerare II; în acest grup a treia bază este una dintre Două (nu de la patru, ca și în cazul precedent): aceasta este purină ( R), adică fie adenină, A sau guanina, G, – sau pirimidină ( Y), adică fie citozină, CU sau timidina, T. Acest grup include trei aminoacizi familiari nouă din a patra grupă de degenerare - arginină, leucină și serină, dar codificați aici de alte dublete, două perechi - asparagină / acid aspartic ( N/D), și glutamina/acid glutamic ( Q/E), precum și histidina H, lizina K, și tirozină Y. Codul genetic universal include și cisteina în acest grup. CU, cu cele două triplete de codare – TGCȘi TGT, adică cu o a treia pirimidină, precum și trei codoni stop, ETICHETĂ, TAAȘi TGA, care acționează doar ca semne de punctuație pentru a marca sfârșitul unei gene, dar nu codifică niciun aminoacid. Codonul generalizat pentru aminoacizii din acest grup, de exemplu, asparagina, este scris după cum urmează: AAYși acid aspartic - G.A.R..
În cele din urmă, grupul de degenerescență III conține izoleucină, codificată Trei tripleti LA O, ATCȘi A.T.T.. Terenuri A, CUȘi T, al treilea în codoni pentru eu, au un simbol comun N, deci codonul generalizat de izoleucină se scrie după cum urmează: ATN. Toate aceste caracteristici ale codului sunt bine ilustrate de tabelul de mai sus.
Este curios că greutatea moleculară a aminoacidului codificat este invers dependentă de numărul grupului de degenerare căruia îi aparține (V. Shcherbak). Aceasta este prima dovadă remarcată aici cu privire la implicarea evidentă a masei moleculare a componentelor codului genetic în organizarea sa rațională.
În tabelul de mai sus, ordonarea după greutatea moleculară crescătoare se referă la aminoacizii din compoziție ordonați după numere de grupe de degenerare (cifre romane), grupate în doi octeți (cifre arabe). În acest caz, poziția cisteinei CU ajustat, care va fi discutat în capitolul următor; Acolo vom vorbi și despre octeți.
Revenind la alegere douăzeci aminoacizii pentru codificare, este de remarcat o altă împrejurare interesantă: această alegere ar putea fi determinată și de teoria informației cuantice, care propune un algoritm optim (algoritmul Grover) pentru ambalarea și citirea conținutului informațional al ADN-ului (Apoorva Patel, 2001). Acest algoritm determină numărul de obiecte N, care se distinge prin numărul de răspunsuri Nu chiar la întrebări Q, în felul următor:
(2Q +1) sin -1 (1 / ?N ) = ? /2 .
Rezolvarea acestei ecuații pentru valori mici Q foarte caracteristic:
Q= 1ln N= 04.0
Q= 2ln N= 10.5
Q= 3ln N= 20.2.
În teorie, aceste valori nu trebuie să fie numere întregi. Interesant, într-o primă aproximare, ele corespund secvenței numerelor tetraedrice, precum și evoluției mărimii codonului funcțional de la singlet la triplet. Cu alte cuvinte, un tetraedru poate fi construit și din zece și din patru monomeri; Aceste numere sunt marcate în soluțiile ecuației de mai sus. Mai târziu vom arăta că combinarea parametrilor dimensionali ai aminoacizilor și nucleotidelor, pe baza regulilor pe care ni le propunem, conduce la echilibrul spațial al unui tetraedru de douăzeci de monomeri corespunzători acestor aminoacizi. Aici merită, probabil, să amintim cuvintele încă relevante ale lui V?se (1973): „ Pare aproape o glumă crudă că Natura ar trebui să aleagă un astfel de număr[codificat] aminoacizi, care este ușor de obținut ca urmare a multor
operatii matematice" Dar, într-un fel sau altul, douăzeci de aminoacizi alfa (din sutele găsite în natură) s-au dovedit a fi suficienți pentru a oferi diversitatea necesară de proteine.
…………………
Număr 496 , care marchează acest capitol, este interesant prin faptul că aparține clasei așa-numitelor numere perfecte si asta e singurul lucru trei cifre număr perfect. Un număr perfect este un număr natural egal cu suma tuturor propriilor divizori (adică toți divizorii pozitivi, alții decât numărul însuși). Suma tuturor divizorilor unui număr 496 , adică 1+2+4+8+16+31+62+124+248, este egal cu el însuși. Ne-am amintit numerele perfecte și am remarcat unicitatea acestui număr special, deoarece, în primul rând, este format din trei cifre - ca elementele de codare din trei cifre despre care vorbim și, în al doilea rând, ca toate numerele anterioare menționate aici, este aleatoriu sau nu – caracterizează unul dintre parametrii formali ai codului genetic, despre care vom discuta în continuare. Răbdarea cititorului nu este nelimitată, iar Autorul reamintește în acest sens un fragment dintr-o scrisoare a unuia dintre cititori către celebrul popularizator al matematicii Martin Gardner: Nu mai căutați numere interesante! Lăsați cel puțin un număr neinteresant pentru interes! Dar ispita este mare și este greu de rezistat.
Din cartea Cea mai nouă carte a faptelor. Volumul 1 [Astronomie și astrofizică. Geografie și alte științe ale pământului. Biologie și Medicină] autor Din cartea Călătorie în trecut autor Golosnitsky Lev PetroviciAcum douăzeci și cinci de milioane de ani Este cald într-o după-amiază de iulie în stepa Kazahstanului. Totul este inundat de soare: o câmpie deluroasă, lacuri situate în depresiuni și mărginite de stuf, zone galbene de nisip acoperite cu saxaul Dealurile coboară abrupt spre lacuri
Din cartea Pharmaceutical and Food Mafia de Brower LouisDouăzeci de motive principale pentru scutirea de la serviciul militar în toate centrele de recrutare pentru anul 1986 Nr. Boli și afecțiuni patologice Număr de persoane scutite de serviciul militar Raportul dintre persoanele scutite de serviciul militar și persoanele apte pentru serviciu
Din cartea STAMPA CREATORULUI. Ipoteza originii vieții pe Pământ. autor Filatov Felix PetroviciCapitolul 496. De ce există douăzeci de aminoacizi codificați? (XII) Cititorului neexperimentat i se poate părea că elementele mașinii de codificare genetică au fost descrise în capitolul anterior atât de detaliat încât până la sfârșitul lecturii a început chiar să obosească cumva, simțind că era oarecum
Din cartea Parola antenelor încrucișate autor Khalifman Joseph AronoviciDouăzeci și cinci de ani mai târziu Trec ani, iar camera embrionară minusculă, de mărimea unui deget, pierdută în sol, crește și devine o movilă vizibilă. Este strâns căptușit deasupra cu lut, nisip, ciment, iar în acest bloc, mort pe dinafară și mut ca piatra, curge
Din cartea Cea mai nouă carte a faptelor. Volumul 1. Astronomie și astrofizică. Geografie și alte științe ale pământului. Biologie și medicină autor Kondrașov Anatoli PavloviciCe înseamnă expresia „al douăzeci și cincilea cadru”? Acest termen a apărut pentru prima dată la mijlocul secolului trecut în SUA și este legat de cinema. Cert este că o cameră cu film și, în consecință, o cameră cu film de proiecție, avansează filmul cu o viteză de 24 de cadre pe secundă. Dar în 1957
Din cartea Chimie biologică autor Lelevici Vladimir Valerianovici Din cartea autoruluiCapitolul 23. Metabolismul aminoacizilor. Starea dinamică a proteinelor corpului Importanța aminoacizilor pentru organism constă în primul rând în faptul că sunt utilizați pentru sinteza proteinelor, al căror metabolism ocupă un loc special în procesele metabolice dintre organism și
Din cartea autoruluiAbsorbția aminoacizilor. Are loc prin transport activ cu participarea transportatorilor. Concentrația maximă de aminoacizi din sânge este atinsă la 30-50 de minute după consumul unei mese cu proteine. Transferul prin marginea pensulei este efectuat de o serie de vectori, mulți
Din cartea autoruluiTulburări ereditare ale transportului de aminoacizi Boala Hartnup este o tulburare a absorbției triptofanului în intestin și a reabsorbției acestuia în tubii renali. Deoarece triptofanul servește ca produs de pornire pentru sinteza vitaminei PP, principalele manifestări ale bolii Hartnup sunt
Din cartea autoruluiCăi pentru metabolismul aminoacizilor în țesuturi Aminoacizii sunt compuși bifuncționali care conțin o grupă amină și carboxil. Reacțiile din aceste grupe sunt comune la diverși aminoacizi. Acestea includ: 1. pe grupa amină – reacţii de dezaminare şi
Din cartea autoruluiTransaminarea aminoacizilor Transaminarea este reacția de transfer a unei grupe a-amino de la un aminoacid la un a-cetoacid, având ca rezultat formarea unui nou cetoacid și a unui nou aminoacid. Reacțiile sunt catalizate de enzimele aminotransferazei. Acestea sunt enzime complexe, coenzima
Din cartea autoruluiDezaminarea aminoacizilor Dezaminarea aminoacizilor este reacția de eliminare a unei grupări a-amino dintr-un aminoacid cu eliberarea de amoniac. Există două tipuri de reacții de deaminare: directe și indirecte
Din cartea autoruluiDezaminarea indirectă a aminoacizilor Majoritatea aminoacizilor nu sunt capabili de dezaminare într-o singură etapă, cum ar fi glutamatul. Grupările amino ale unor astfel de aminoacizi sunt transferate la β-cetoglutarat pentru a forma acid glutamic, care este apoi supus direct
Din cartea autoruluiDecarboxilarea aminoacizilor Unii aminoacizi și derivații lor pot suferi decarboxilarea. Reacțiile de decarboxilare sunt ireversibile și sunt catalizate de enzimele decarboxilază, care necesită fosfat de piridoxal ca coenzimă.
Din cartea autoruluiCapitolul 25. Metabolismul aminoacizilor individuali Metabolismul metioninei Metionina este un aminoacid esențial. Gruparea metil a metioninei este un fragment mobil cu un singur carbon utilizat pentru sinteza unui număr de compuși. Transferul grupării metil a metioninei la cel corespunzător
Fiecare organism viu are un set special de proteine. Anumiți compuși nucleotidici și secvența lor în molecula de ADN formează codul genetic. Transmite informații despre structura proteinei. Un anumit concept a fost acceptat în genetică. Potrivit acesteia, o genă corespundea unei enzime (polipeptidă). Trebuie spus că cercetările asupra acizilor nucleici și proteinelor au fost efectuate pe o perioadă destul de lungă. Mai târziu în articol vom arunca o privire mai atentă asupra codului genetic și proprietăților acestuia. De asemenea, va fi oferită o scurtă cronologie a cercetării.
Terminologie
Codul genetic este o modalitate de codificare a secvenței proteinelor de aminoacizi care implică secvența de nucleotide. Această metodă de generare a informațiilor este caracteristică tuturor organismelor vii. Proteinele sunt substanțe organice naturale cu molecularitate ridicată. Acești compuși sunt prezenți și în organismele vii. Ele constau din 20 de tipuri de aminoacizi, care se numesc canonici. Aminoacizii sunt aranjați într-un lanț și legați într-o secvență strict stabilită. Determină structura proteinei și proprietățile sale biologice. Există, de asemenea, mai multe lanțuri de aminoacizi într-o proteină.
ADN și ARN
Acidul dezoxiribonucleic este o macromoleculă. Ea este responsabilă de transmiterea, stocarea și implementarea informațiilor ereditare. ADN-ul folosește patru baze azotate. Acestea includ adenina, guanina, citozina, timina. ARN-ul este format din aceleași nucleotide, cu excepția faptului că conține timină. În schimb, există o nucleotidă care conține uracil (U). Moleculele de ARN și ADN sunt lanțuri de nucleotide. Datorită acestei structuri, se formează secvențe - „alfabetul genetic”.
Implementarea informatiilor
Sinteza proteinei, care este codificată de genă, se realizează prin combinarea ARNm pe un model de ADN (transcripție). Există, de asemenea, un transfer al codului genetic în secvența de aminoacizi. Adică, are loc sinteza lanțului polipeptidic pe ARNm. Pentru a cripta toți aminoacizii și semnalul pentru sfârșitul secvenței proteice, sunt suficiente 3 nucleotide. Acest lanț se numește triplet.
Istoria studiului
Studiul proteinelor și acizilor nucleici a fost realizat de mult timp. La mijlocul secolului al XX-lea, primele idei au apărut în sfârșit despre natura codului genetic. În 1953, s-a descoperit că unele proteine constau din secvențe de aminoacizi. Adevărat, la acea vreme nu puteau încă determina numărul lor exact și au existat numeroase dispute în acest sens. În 1953, două lucrări au fost publicate de autorii Watson și Crick. Primul a spus despre structura secundară a ADN-ului, al doilea a vorbit despre copierea sa permisă folosind sinteza șablonului. În plus, s-a pus accent pe faptul că o anumită secvență de baze este un cod care poartă informații ereditare. Fizicianul american și sovietic Georgiy Gamow și-a asumat ipoteza de codificare și a găsit o metodă pentru a o testa. În 1954, lucrarea sa a fost publicată, în timpul căreia și-a propus să stabilească corespondențe între lanțurile laterale de aminoacizi și „găurile” în formă de diamant și să folosească acest lucru ca mecanism de codare. Apoi a fost numit rombic. Explicându-și munca, Gamow a recunoscut că codul genetic ar putea fi un triplet. Lucrarea fizicianului a fost una dintre primele dintre cele care au fost considerate apropiate de adevăr.
Clasificare
De-a lungul anilor, au fost propuse diverse modele de coduri genetice, de două tipuri: suprapuse și nesuprapuse. Prima sa bazat pe includerea unei nucleotide în mai mulți codoni. Include un cod genetic triunghiular, secvențial și major-minor. Al doilea model presupune două tipuri. Codurile care nu se suprapun includ codul combinat și codul fără virgulă. Prima opțiune se bazează pe codificarea unui aminoacid prin tripleți de nucleotide, iar principalul lucru este compoziția sa. Conform „codului fără virgule”, anumite triplete corespund aminoacizilor, dar altele nu. În acest caz, s-a crezut că dacă orice triplete semnificative ar fi aranjate secvenţial, altele situate într-un cadru de citire diferit ar fi inutile. Oamenii de știință au crezut că este posibil să se selecteze o secvență de nucleotide care să satisfacă aceste cerințe și că există exact 20 de tripleți.
Deși Gamow și coautorii săi au pus la îndoială acest model, acesta a fost considerat cel mai corect în următorii cinci ani. La începutul celei de-a doua jumătate a secolului al XX-lea au apărut noi date care au făcut posibilă descoperirea unor neajunsuri în „codul fără virgule”. S-a descoperit că codonii sunt capabili să inducă sinteza proteinelor in vitro. Mai aproape de 1965, principiul tuturor celor 64 de tripleți a fost înțeles. Ca urmare, a fost descoperită redundanța unor codoni. Cu alte cuvinte, secvența de aminoacizi este codificată de mai multe triplete.
Trăsături distinctive
Proprietățile codului genetic includ:
Variante
Prima abatere a codului genetic de la standard a fost descoperită în 1979 în timpul studiului genelor mitocondriale din corpul uman. Alte variante similare au fost identificate în continuare, inclusiv multe coduri mitocondriale alternative. Acestea includ decodificarea codonului stop UGA, care este utilizat pentru determinarea triptofanului în micoplasme. GUG și UUG în arhee și bacterii sunt adesea folosite ca opțiuni de pornire. Uneori, genele codifică o proteină cu un codon de început care diferă de cel utilizat în mod normal de specie. În plus, în unele proteine, selenocisteina și pirolizina, care sunt aminoacizi nestandard, sunt inserate de ribozom. Ea citește codonul de oprire. Aceasta depinde de secvențele găsite în ARNm. În prezent, selenocisteina este considerată al 21-lea, iar pirolizanul al 22-lea aminoacid prezent în proteine.
Caracteristicile generale ale codului genetic
Cu toate acestea, toate excepțiile sunt rare. În organismele vii, codul genetic are în general o serie de caracteristici comune. Acestea includ compoziția unui codon, care include trei nucleotide (primele două aparțin celor definitorii), transferul de codoni prin ARNt și ribozomi în secvența de aminoacizi.
Codul genetic este o modalitate de codificare a secvenței de aminoacizi dintr-o moleculă de proteină folosind secvența de nucleotide dintr-o moleculă de acid nucleic. Proprietățile codului genetic decurg din caracteristicile acestei codificări.
Fiecare aminoacid proteic este asociat cu trei nucleotide consecutive de acid nucleic - triplet, sau codon. Fiecare nucleotidă poate conține una dintre cele patru baze azotate. În ARN este adenina(A), uracil(U), guanina(G), citozină(C). Prin combinarea bazelor azotate (în acest caz, nucleotidele care le conțin) în moduri diferite, puteți obține multe triplete diferite: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC etc. Numărul total de combinații posibile este de 64, adică 4 3 .
Proteinele organismelor vii conțin aproximativ 20 de aminoacizi. Dacă natura „ar fi planificat” să codifice fiecare aminoacid nu cu trei, ci cu două nucleotide, atunci varietatea unor astfel de perechi nu ar fi suficientă, deoarece ar fi doar 16 dintre ele, adică. 4 2.
Prin urmare, principala proprietate a codului genetic este triplicitatea acestuia. Fiecare aminoacid este codificat de un triplet de nucleotide.
Deoarece există mult mai multe tripleți diferite decât aminoacizii utilizați în moleculele biologice, următoarea proprietate a fost realizată în natura vie: redundanţă cod genetic. Mulți aminoacizi au început să fie codificați nu de un codon, ci de mai mulți. De exemplu, aminoacidul glicina este codificat de patru codoni diferiți: GGU, GGC, GGA, GGG. Se mai numește și redundanță degenerare.
Corespondența dintre aminoacizi și codoni este prezentată în tabele. De exemplu, acestea:
În legătură cu nucleotidele, codul genetic are următoarea proprietate: neambiguitate(sau specificitate): fiecărui codon îi corespunde doar un aminoacid. De exemplu, codonul GGU poate codifica numai glicină și nici un alt aminoacid.
Din nou. Redundanța înseamnă că mai mulți tripleți pot codifica același aminoacid. Specificitate - fiecare codon specific poate codifica doar un aminoacid.
Nu există semne de punctuație speciale în codul genetic (cu excepția codonilor stop, care indică sfârșitul sintezei polipeptidelor). Funcția semnelor de punctuație este îndeplinită de tripleți înșiși - sfârșitul unuia înseamnă că altul va începe în continuare. Aceasta implică următoarele două proprietăți ale codului genetic: continuitateȘi nesuprapunere. Continuitatea se referă la citirea tripleților imediat după cealaltă. Nesuprapunerea înseamnă că fiecare nucleotidă poate face parte dintr-un singur triplet. Deci prima nucleotidă a următoarei triplete vine întotdeauna după a treia nucleotidă a tripletului precedent. Un codon nu poate începe cu a doua sau a treia nucleotidă a codonului precedent. Cu alte cuvinte, codul nu se suprapune.
Codul genetic are proprietatea versatilitate. Este același pentru toate organismele de pe Pământ, ceea ce indică unitatea originii vieții. Există excepții foarte rare de la acest lucru. De exemplu, unele triplete din mitocondrii și cloroplaste codifică aminoacizi alții decât cei obișnuiți. Acest lucru poate sugera că în zorii vieții au existat variații ușor diferite ale codului genetic.
În cele din urmă, codul genetic are imunitate la zgomot, care este o consecință a proprietății sale de redundanță. Mutațiile punctiforme, care uneori apar în ADN, duc de obicei la înlocuirea unei baze azotate cu alta. Acest lucru schimbă tripletul. De exemplu, a fost AAA, dar după mutație a devenit AAG. Cu toate acestea, astfel de modificări nu conduc întotdeauna la o schimbare a aminoacidului din polipeptida sintetizată, deoarece ambele triplete, datorită proprietății de redundanță a codului genetic, pot corespunde unui aminoacid. Având în vedere că mutațiile sunt adesea dăunătoare, proprietatea imunității la zgomot este utilă.
Ele se aliniază în lanțuri și astfel produc secvențe de litere genetice.
Cod genetic
Proteinele aproape tuturor organismelor vii sunt construite din doar 20 de tipuri de aminoacizi. Acești aminoacizi sunt numiți canonici. Fiecare proteină este un lanț sau mai multe lanțuri de aminoacizi conectate într-o secvență strict definită. Această secvență determină structura proteinei și, prin urmare, toate proprietățile sale biologice.
CUU (Leu/L)Leucină
CUC (Leu/L)Leucină
CUA (Leu/L)Leucină
CUG (Leu/L)Leucină
În unele proteine, aminoacizii nestandard, cum ar fi selenocisteina și pirolizina, sunt inserați de un ribozom care citește codonul stop, în funcție de secvențele din ARNm. Selenocisteina este acum considerată al 21-lea, iar pirolizina al 22-lea, aminoacizi care alcătuiesc proteinele.
În ciuda acestor excepții, toate organismele vii au coduri genetice comune: un codon este format din trei nucleotide, unde primii doi codoni sunt traduși de tARN și ribozomi într-o secvență de aminoacizi;
| Exemplu | Codon | Sens normal | Se citește ca: |
|---|---|---|---|
| Unele tipuri de drojdie Candida | C.U.G. | leucina | Serin |
| Mitocondriile, în special în Saccharomyces cerevisiae | CU(U, C, A, G) | leucina | Serin |
| Mitocondriile plantelor superioare | CGG | Arginina | Triptofan |
| Mitocondriile (în toate organismele studiate fără excepție) | U.G.A. | Stop | Triptofan |
| Mitocondriile la mamifere, Drosophila, S. cerevisiaeși multe protozoare | AUA | izoleucina | Metionina = Start |
| procariote | G.U.G. | Valin | start |
| Eucariote (rare) | C.U.G. | leucina | start |
| Eucariote (rare) | G.U.G. | Valin | start |
| Procariote (rare) | UUG | leucina | start |
| Eucariote (rare) | A.C.G. | Treonina | start |
| Mitocondriile mamiferelor | AGC, AGU | Serin | Stop |
| mitocondriile Drosophila | A.G.A. | Arginina | Stop |
| Mitocondriile mamiferelor | AG(A, G) | Arginina | Stop |
Istoria ideilor despre codul genetic
Cu toate acestea, la începutul anilor 60 ai secolului al XX-lea, noi date au relevat inconsecvența ipotezei „cod fără virgule”. Apoi experimentele au arătat că codonii, considerați fără sens de către Crick, ar putea provoca sinteza proteinelor in vitro, iar până în 1965 a fost stabilit semnificația tuturor celor 64 de tripleți. S-a dovedit că unii codoni sunt pur și simplu redundanți, adică o serie întreagă de aminoacizi sunt codificați de doi, patru sau chiar șase tripleți.
Vezi si
Note
- Codul genetic acceptă inserția țintită a doi aminoacizi de către un codon. Turanov AA, Lobanov AV, Fomenko DE, Morrison HG, Sogin ML, Klobutcher LA, Hatfield DL, Gladyshev VN. Ştiinţă. 9 ianuarie 2009;323(5911):259-61.
- Codonul AUG codifică metionina, dar în același timp servește ca un codon de început - traducerea începe de obicei cu primul codon AUG al ARNm.
- NCBI: „Codurile genetice”, compilat de Andrzej (Anjay) Elzanowski și Jim Ostell
- Jukes TH, Osawa S, Codul genetic în mitocondrii și cloroplaste., Experiență. 1990 Dec 1;46(11-12):1117-26.
- Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (martie 1992). „Dovezi recente pentru evoluția codului genetic”. Microbiol. Rev. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
- SANGER F. (1952). „Dispunerea aminoacizilor în proteine”. Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
- M. Ichas Cod biologic. - Lumea, 1971.
- WATSON JD, CRICK FH. (aprilie 1953). „Structura moleculară a acizilor nucleici; o structură pentru acidul nucleic dezoxiriboză”. Natură 171 : 737-738. PMID 13054692.
- WATSON JD, CRICK FH. (mai 1953). „Implicații genetice ale structurii acidului dezoxiribonucleic”. Natură 171 : 964-967. PMID 13063483.
- Crick FH. (aprilie 1966). „Codul genetic - ieri, azi și mâine.” Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
- G. GAMOW (februarie 1954). „Posibilă relație între acidul dezoxiribonucleic și structurile proteice”. Natură 173 : 318. DOI:10.1038/173318a0. PMID 13882203.
- GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). „Problema transferului de informații de la acizii nucleici la proteine”. Adv Biol Med Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
- Gamow G, Ycas M. (1955). „CORELAȚIA STATISTICĂ A COMPOZIȚIEI PROTEINEI ȘI A ACIDULUI RIBONUCLEIC. " Proc Natl Acad Sci U S A. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
- Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). „CODURI FĂRĂ virgule. " Proc Natl Acad Sci U S A. 43 : 416-421. PMID 16590032.
- Hayes B. (1998). „Invenția codului genetic”. (Retipărire PDF). om de știință american 86 : 8-14.
Literatură
- Azimov A. Cod genetic. De la teoria evoluției la descifrarea ADN-ului. - M.: Tsentrpoligraf, 2006. - 208 p. - ISBN 5-9524-2230-6.
- Ratner V. A. Genetic code as a system - Soros educational journal, 2000, 6, No. 3, pp. 17-22.
- Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Natura generală a codului genetic pentru proteine - Nature, 1961 (192), pp. 1227-32
Legături
- Cod genetic- articol din Marea Enciclopedie Sovietică
Fundația Wikimedia. 2010.
Nucleotide ADN și ARN
|
Codon- un triplet de nucleotide care codifică un aminoacid specific. |
| fila. 1. Aminoacizi care se găsesc în mod obișnuit în proteine | |
| Nume | Abreviere |
| 1. Alanina | Ala |
| 2. Arginina | Arg |
| 3. Asparagină | Asn |
| 4. Acid aspartic | Asp |
| 5. Cisteină | Cys |
| 6. Acid glutamic | Glu |
| 7. Glutamina | Gln |
| 8. Glicina | Gly |
| 9. Histidină | A lui |
| 10. Isoleucina | Ile |
| 11. Leucina | Leu |
| 12. Lizina | Lys |
| 13. Metionină | Întâlnit |
| 14. Fenilalanina | Phe |
| 15. Proline | Pro |
| 16. Seria | Ser |
| 17. Treonină | Thr |
| 18. Triptofan | Trp |
| 19. Tirozina | Tyr |
| 20. Valin | Val |
Codul genetic, numit și codul aminoacizilor, este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența de aminoacizi dintr-o proteină folosind secvența reziduurilor de nucleotide din ADN care conțin una dintre cele 4 baze azotate: adenina (A), guanina (G). ), citozină (C) și timină (T). Cu toate acestea, deoarece helixul ADN dublu catenar nu este implicat direct în sinteza proteinei care este codificată de una dintre aceste catene (adică ARN), codul este scris în limbajul ARN, care conține în schimb uracil (U). de timină. Din același motiv, se obișnuiește să se spună că un cod este o secvență de nucleotide, și nu perechi de nucleotide.
Codul genetic este reprezentat de anumite cuvinte de cod, numite codoni.
Primul cuvânt de cod a fost descifrat de Nirenberg și Mattei în 1961. Aceștia au obținut un extract din E. coli care conținea ribozomi și alți factori necesari pentru sinteza proteinelor. Rezultatul a fost un sistem fără celule pentru sinteza proteinelor, care ar putea asambla proteine din aminoacizi dacă ARNm-ul necesar a fost adăugat în mediu. Adăugând în mediu ARN sintetic format numai din uracili, ei au descoperit că s-a format o proteină constând numai din fenilalanină (polifenilalanină). Astfel, s-a stabilit că tripletul de nucleotide UUU (codon) corespunde fenilalaninei. În următorii 5-6 ani, toți codonii codului genetic au fost determinați.
Codul genetic este un fel de dicționar care traduce textul scris cu patru nucleotide în text proteic scris cu 20 de aminoacizi. Aminoacizii rămași găsiți în proteine sunt modificări ale unuia dintre cei 20 de aminoacizi.
Proprietățile codului genetic
Codul genetic are următoarele proprietăți.
- Tripletate- Fiecarui aminoacid ii corespunde un triplu de nucleotide. Este ușor de calculat că există 4 3 = 64 de codoni. Dintre acestea, 61 sunt semantice și 3 sunt nonsens (terminare, codoni stop).
- Continuitate(fără semne de separare între nucleotide) - absența semnelor de punctuație intragenice;
În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon semnificativ. În 1961 Seymour Benzer și Francis Crick au demonstrat experimental natura tripletă a codului și continuitatea acestuia (compactitatea) [spectacol]
Esența experimentului: mutația „+” - inserarea unei nucleotide. Mutația „-” - pierderea unei nucleotide.
O singură mutație ("+" sau "-") la începutul unei gene sau o mutație dublă ("+" sau "-") strică întreaga genă.
O triplă mutație ("+" sau "-") la începutul unei gene strică doar o parte a genei.
O mutație cvadruplă „+” sau „-” strică din nou întreaga genă.
Experimentul a fost efectuat pe două gene fagice adiacente și a arătat că
- codul este triplet și nu există semne de punctuație în interiorul genei
- există semne de punctuație între gene
- Prezența semnelor de punctuație intergenice- prezența printre tripleți a codonilor inițiatori (încep biosinteza proteinelor) și a codonilor terminatori (care indică sfârșitul biosintezei proteinelor);
În mod convențional, codonul AUG, primul după secvența lider, aparține și semnelor de punctuație. Funcționează ca o literă mare. În această poziție, codifică formilmetionina (la procariote).
La sfârșitul fiecărei gene care codifică o polipeptidă există cel puțin unul dintre cei 3 codoni stop, sau semnale stop: UAA, UAG, UGA. Ei termină emisiunea.
- Coliniaritatea- corespondența secvenței liniare a codonilor ARNm și aminoacizilor din proteină.
- Specificitate- fiecărui aminoacid îi corespunde doar anumiți codoni care nu pot fi folosiți pentru un alt aminoacid.
- Unidirecționalitate- codonii se citesc într-o singură direcție - de la prima nucleotidă la cele ulterioare
- Degenerare sau redundanță, - un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete (aminoacizi - 20, posibile triplete - 64, 61 dintre ei sunt semantici, adică, în medie, fiecare aminoacid corespunde la aproximativ 3 codoni); excepțiile sunt metionina (Met) și triptofanul (Trp).
Motivul degenerării codului este că sarcina semantică principală este purtată de primele două nucleotide din triplet, iar a treia nu este atât de importantă. De aici regula degenerării codului : Dacă doi codoni au aceleași primele două nucleotide și a treia lor nucleotide aparțin aceleiași clase (purină sau pirimidină), atunci codifică același aminoacid.
Cu toate acestea, există două excepții de la această regulă ideală. Acesta este codonul AUA, care ar trebui să corespundă nu izoleucinei, ci metioninei, și codonul UGA, care este un codon stop, în timp ce ar trebui să corespundă triptofanului. Degenerarea codului are, evident, o semnificație adaptativă.
- Versatilitate- toate proprietățile de mai sus ale codului genetic sunt caracteristice tuturor organismelor vii.
Codon Cod universal Codurile mitocondriale Vertebrate Nevertebrate Drojdie Plante U.G.A. STOP Trp Trp Trp STOP AUA Ile Întâlnit Întâlnit Întâlnit Ile CUA Leu Leu Leu Thr Leu A.G.A. Arg STOP Ser Arg Arg AGG Arg STOP Ser Arg Arg Recent, principiul universalității codului a fost zdruncinat în legătură cu descoperirea de către Berrell în 1979 a codului ideal al mitocondriilor umane, în care regula degenerării codului este satisfăcută. În codul mitocondrial, codonul UGA corespunde triptofanului, iar AUA metioninei, așa cum este cerut de regula degenerării codului.
Poate că la începutul evoluției, toate organismele simple aveau același cod ca și mitocondriile, iar apoi au suferit ușoare abateri.
- Nesuprapunere- fiecare dintre tripletele textului genetic este independent unul de celălalt, o nucleotidă este inclusă într-un singur triplet; În fig. arată diferența dintre codul suprapus și cel care nu se suprapun.
În 1976 ADN-ul fagului φX174 a fost secvențiat. Are ADN circular monocatenar format din 5375 nucleotide. Fagul era cunoscut că codifică 9 proteine. Pentru 6 dintre ele au fost identificate gene situate una în spatele celeilalte.
S-a dovedit că există o suprapunere. Gena E este situată în întregime în interiorul genei D. Codonul său de început apare ca urmare a unei deplasări a cadrului unei nucleotide. Gena J începe acolo unde se termină gena D. Codonul de început al genei J se suprapune cu codonul de oprire al genei D ca urmare a unei deplasări cu două nucleotide. Construcția este numită „deplasare a cadrelor de citire” de către un număr de nucleotide, nu un multiplu de trei. Până în prezent, suprapunerea a fost demonstrată doar pentru câțiva fagi.
- Imunitate la zgomot- raportul dintre numărul de substituții conservatoare și numărul de substituții de radicali.
Mutațiile de substituție nucleotidică care nu duc la o schimbare a clasei aminoacidului codificat se numesc conservatoare. Mutațiile de substituție nucleotidică care duc la o schimbare a clasei aminoacizilor codificați se numesc radical.
Deoarece același aminoacid poate fi codificat de diferiți tripleți, unele substituții în tripleți nu conduc la o schimbare a aminoacidului codificat (de exemplu, UUU -> UUC lasă fenilalanina). Unele substituții schimbă un aminoacid cu altul din aceeași clasă (nepolar, polar, bazic, acid), alte substituții schimbă și clasa aminoacidului.
În fiecare triplet se pot face 9 înlocuiri simple, adică Există trei moduri de a alege ce poziție să schimbe (prima sau a doua sau a treia), iar litera selectată (nucleotidă) poate fi schimbată cu 4-1=3 alte litere (nucleotide). Numărul total de substituții posibile de nucleotide este 61 cu 9 = 549.
Prin calcul direct folosind tabelul de coduri genetice, puteți verifica că dintre acestea: 23 de substituții de nucleotide duc la apariția codonilor - terminatori de traducere. Substituțiile 134 nu modifică aminoacidul codificat. Substituțiile 230 nu schimbă clasa aminoacidului codificat. 162 de substituții conduc la o schimbare a clasei de aminoacizi, adică. sunt radicali. Din cele 183 de substituții ale celei de-a treia nucleotide, 7 duc la apariția terminatorilor de translație, iar 176 sunt conservatoare. Din cele 183 de substituții ale primei nucleotide, 9 duc la apariția terminatorilor, 114 sunt conservatoare și 60 sunt radicale. Din cele 183 de substituții ale celei de-a 2-a nucleotide, 7 duc la apariția terminatorilor, 74 sunt conservatoare, 102 sunt radicale.
