Генетичен код - Биология

The генетичен код е правило, според което групи от три последователни нуклеобази в нуклеиновите киселини - наречени триплети или кодони - се превръщат в аминокиселини. Този транслация, наречен транслация, се осъществява, когато аминокиселините са свързани с различни прехвърлящи рибонуклеинови киселини (tRNA), чрез които аминокиселините са подредени или активирани за своето събиране в протеини.

всички живи

Трансферните рибонуклеинови киселини се различават по своя нуклеотиден триплет, разположен на видно молекулярно място, което се състои от три нуклеотида, всеки, които съответстват на нуклеотидите на определен кодон (се допълват), така че тристранно Антикодон форма. Кодонът и антикодонът са специално съчетани и им се приписва определена аминокиселина според генетичния код. Аминокиселината, за която стои кодонът, съответстващ на антикодона на тРНК, е свързана с всяка прехвърляща рибонуклеинова киселина. По този начин, чрез специфичното свързване на аминокиселина с tRNA с антикодон, предвиден за нея от генетичния код, символът за определена аминокиселина, кодонът, се превежда в аминокиселината, предписана от генетичния код. Строго погледнато, преводът вече се съдържа в структурата на различните типове тРНК: Всяка молекула на тРНК съдържа място за свързване на аминокиселини, структурирано по такъв начин, че само аминокиселината, която съответства на антикодона на тази тРНК според генетичния код, може да бъде свързана с него.

След свързването на аминокиселините с тРНК може да започне синтеза на протеина, определен от последователността на кодоните в дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Като предпоставка за този синтез, ДНК сегментът на гена първо се превръща в пратеник рибонуклеинова киселина (тРНК) (транскрипция); след това определени части от тази иРНК умишлено се отстраняват в еукариоти (сплайсинг). И накрая, аминокиселините на тРНК, които съвпадат с кодоните, са свързани заедно, за да образуват полипептидна верига.

Всички етапи, следващи синтеза и сплайсинга на иРНК до и включително синтеза на протеините, се наричат ​​транслация, тъй като превръщането на триплетната последователност на ДНК в аминокиселинна последователност става ясно по време на синтеза на протеини. Действителното прилагане на генетичния код, транслацията на кодон в аминокиселина, се извършва само когато аминокиселините са свързани с тРНК, т.е. когато аминокиселините са подготвени да сглобяват протеините. Някои основни триплети не кодират аминокиселина. Те също са известни като глупости кодони. Те водят до спиране на транслацията, която завършва синтеза на протеини (стоп кодони).

По принцип всички живи същества използват един и същ генетичен код. Най-често срещаната версия е дадена в следващите таблици. Те показват кои аминокиселини от 4 3 = 64 възможни кодони кодирани и кодоните кодират всяка от 20-те канонични аминокиселини, използвани в превода. Например, кодонът GAU означава аминокиселината Asp (аспарагинова киселина), а Cys (цистеин) се кодира от кодоните UGU и UGC. Основите, използвани в таблицата, са аденин, гуанин, цитозин и урацил на иРНК; в ДНК вместо урацил се използва тимин.

История на откритието

През първата половина на 60-те години имаше известна конкуренция между биохимиците за разбиране на генетичния код. На 27 май 1961 г. в 3 ч. Сутринта германският биохимик Хайнрих Матей постига решителния пробив в лабораторията на Маршал Ниренберг с експеримента poly-U: декодирането на кодона UUU за аминокиселината фенилаланин. Този експеримент е описан от някои генетици като най-важният за 20-ти век. През 1966 г., пет години след дешифрирането на първия кодон, генетичният код беше напълно дешифриран с всичките 64 базови триплета.

Кодон

Кога Кодон едната описва последователността от три нуклеобази (основен триплет) на иРНК, която кодира аминокиселина в генетичния код. Има общо 4 3 = 64 възможни кодони, три от които са безсмислени кодони, те се използват за прекратяване на транслацията, а останалите 61 кодират 20-те канонични, протеиногенни аминокиселини. Има няколко различни кодирания за много аминокиселини. Независимо от това е необходимо кодиране като триплет, тъй като при кодиране с дублет биха се получили само 4 2 = 16 възможни кодони и по този начин няма да има достатъчно възможности за покриване на всички 20 канонични аминокиселини.

Преводът започва със стартов кодон, но само това не е достатъчно за стартиране на процеса. Някои инициационни последователности, близки до стартовия кодон, също са необходими, за да се осъществи транскрипцията в иРНК и нейното свързване с рибозомата. Най-важният стартов кодон е AUG, който също кодира метионин. CUG и UUG, както и GUG и AUU в прокариотите, също работят, но с много по-малка ефективност. Първата аминокиселина винаги е метионинът.

Преводът завършва с един от трите стоп кодони, които също се наричат ​​глупости кодони. Първоначално тези кодони са получили имена - UAG е кехлибар (кехлибарено), UGA е опал (опал), а ИЗП е охра (охра), пиеса за името на откривателя си (Харис Бърнстейн).

Докато UGA кодонът се използва предимно като Спри се се чете, той рядко и само при определени условия може да означава 21-ва аминокиселина: селеноцистеин (Sec). Биосинтезът и механизмът на включване на селеноцистеин в протеините е много различен от този на всички други аминокиселини: неговото вмъкване изисква нова стъпка на транслация, при която UGA се интерпретира по различен начин в определена среда на последователност и заедно с определени кофактори. Това изисква структурно уникална, специфична за селеноцистеин тРНК (tRNA Sec), която при гръбначните животни може да бъде заредена с три различни, но свързани аминокиселини: серин, селеноцистеин и фосфосерин.

Някои археи и бактерии използват UAG стоп кодон за 22-ра протеиногенна аминокиселина: пиролизин.

Дегенерация и прошка

Ако кодонът е неправилно декодиран по време на транслацията (използва се неправилна аминокиселина), структурата на произведения протеин вече не е правилна и той вече не функционира по предназначение. Очевидно е, че много рано в еволюционната история беше полезно, че генетичният код имаше известна толерантност към грешки: това е, което е известно като код изроден Код, което означава, че семантичната единица е кодирана от няколко различни синтактични символа: минус стоп кодоните, налични са 61 различни кодона, но трябва да бъдат кодирани само 20 аминокиселини. Както може да се види в таблицата по-горе, за някои аминокиселини се използват няколко кода. Тогава те обикновено се различават само в една от трите основи. (Това ви дава минимално разстояние в кодовото пространство, вижте Разстояние на Хаминг.) Ако една от основите се чете неправилно, вероятността все още да бъде избрана правилната аминокиселина е все още 60%. Повечето от съответните кодони се различават и в третата („клатушкаща се“) база на кодон, която най-често се разчита погрешно по време на превода.

Освен това аминокиселините, които са по-често срещани в протеините от другите, имат повече кодони, които ги кодират.

Забележително е, че характерът на аминокиселината до голяма степен се определя от средното положение на триплет:

  • U (RNA)/T (DNA) - хидрофобна
  • C - полярна до неутрална
  • A - натоварен
  • G - заредена, неутрална до полярна

От това следва, че радикалните замествания (обмен на аминокиселини с различен характер) са предимно резултат от мутации в тази втора позиция. Мутациите в първата, но особено в третата позиция („клатушкане“), от друга страна, често съдържат аминокиселината или поне нейния характер „консервативно заместване“. Ако човек вземе предвид също така, че преходи (превръщане на пурини или пиримидини един в друг) се случват по-често, отколкото трансверсии (превръщане на пурин в пиримидин и обратно; този процес обикновено изисква детуриране) по механистични причини, има допълнително обяснение за консервативното Символ на кода.

Произход на генетичния код

Думата "генетичен код" е измислена от Ервин Шрьодингер в неговата книга от 1944 г. "Was ist Leben?" Точното местоположение на кода по това време все още не беше ясно.

Преди се смяташе, че генетичният код е възникнал случайно. През 1968 г. Франсис Крик го описва като „замразено съвпадение“. Изследванията от 2004 г. обаче показват, че това е резултат от стриктна оптимизация по отношение на толерантността към повреди. Грешките са особено сериозни за пространствената структура на протеина, ако хидрофобността на неправилно включена аминокиселина се различава значително от оригинала. В контекста на статистически анализ само 100 от милион случайни кода се оказват по-добри от реалния. Ако при изчисляването на толерантността на грешките се вземат предвид допълнителни фактори, които съответстват на типичните модели на мутации и грешки при четене, този брой дори се намалява до 1 на 1 милион. [1]

Универсалност на кода

Основен принцип

Прави впечатление, че генетичният код по принцип е един и същ за всички живи същества с малки изключения, така че всички живи същества използват един и същ „генетичен език“. Тъй като определен кодон винаги означава една и съща аминокиселина, в генното инженерство е възможно напр. за въвеждане на гена за човешки инсулин в бактериите, така че те след това да произвеждат инсулин. Този принцип е известен като „универсалност на кода“. Evolution обяснява това по такъв начин, че генетичният код се формира много рано в историята на живота и след това се предава на всички развиващи се видове. Подобно обобщение не изключва, че честотата на различните кодови думи (така наречената употреба на кодон) може да се различава между организмите.

Изключения

Има и изключения от универсалността на генетичния код: Например в митохондриите (преобразуващите енергията органели на клетката), които вероятно идват от симбиотични бактерии (теория за ендосимбионтите) и които съдържат собствен генетичен материал (в допълнение към ДНК на клетъчното ядро), използва леко модифицирана форма на кода.

Инфузориите също показват отклонения от стандартния код: UAG, а често и UAA, код за глутамин; това отклонение се среща и при някои зелени водорасли. UGA понякога означава и цистеин. Друг вариант може да се намери в дрождите Кандида, където CUG кодира серин.

Съществуват и някои варианти на аминокиселини, използвани от бактерии (Бактерии) и археи (Archaea); стоп кодонът UGA може, както е описано по-горе, да кодира селеноцистеин и UAG пиролизин. Не може да се изключи съществуването на други варианти на кодиране, които все още не са открити.

Понастоящем има 16 известни отклонения в разпределението на аминокиселина към кодон (основен триплет на иРНК) от стандартния код: