Tänu rakus toimuvale transkriptsiooniprotsessile kantakse info DNA-st valgule: DNA - i-RNA - valk. DNA-s ja mRNA-s sisalduv geneetiline teave sisaldub molekulide nukleotiidide järjestuses. Kuidas toimub informatsiooni tõlkimine nukleotiidide "keelest" aminohapete "keelde"? See tõlge on tehtud kasutades geneetiline kood. Kood ehk šifr on sümbolite süsteem ühe teabevormi teiseks tõlkimiseks. Geneetiline kood on süsteem teabe salvestamiseks valkude aminohapete järjestuse kohta, kasutades sõnumitooja RNA nukleotiidide järjestust. Kui oluline on info tähenduse mõistmiseks ja säilitamiseks samade elementide järjestus (RNA-s neli nukleotiidi), saab näha lihtsa näitega: sõna koodis tähti ümber paigutades saame teise tähendusega sõna - dok. Millised on geneetilise koodi omadused?

1. Kood on kolmik. RNA koosneb 4 nukleotiidist: A, G, C, U. Kui prooviksime määrata ühe aminohappe ühe nukleotiidiga, siis 16 aminohapet 20-st jääks krüpteerimata. Kahetäheline kood kodeeriks 16 aminohapet (neljast nukleotiidist saab teha 16 erinevat kombinatsiooni, millest igaühel on kaks nukleotiidi). Loodus on loonud kolmetähelise ehk kolmiku koodi. See tähendab, et kõik 20 aminohapet on kodeeritud kolmest nukleotiidist koosneva järjestusega, mida nimetatakse tripletiks või koodoniks. 4 nukleotiidist saate luua 64 erinevat 3 nukleotiidi kombinatsiooni (4*4*4=64). See on enam kui piisav 20 aminohappe kodeerimiseks ja tundub, et 44 koodonit on üleliigne. Siiski ei ole.

2. Kood on degenereerunud. See tähendab, et iga aminohapet kodeerib rohkem kui üks koodon (kaks kuni kuus). Erandiks on aminohapped metioniin ja trüptofaan, millest igaüks on kodeeritud ainult ühe tripleti poolt. (Seda on näha geneetilise koodi tabelist.) Asjaolul, et metioniini kodeerib üks OUT-kolmik, on eriline tähendus, mis selgub teile hiljem (16).

3. Kood on üheselt mõistetav. Iga koodon kodeerib ainult ühte aminohapet. Kõik terved inimesed geenis teabe kandmine hemoglobiini beetaahela kohta, kolmik GAA või GAG, ma seisan kuuendal kohal, kodeerib glutamiinhapet. Sirprakulise aneemiaga patsientidel asendatakse selle kolmiku teine ​​nukleotiid U-ga. Nagu tabelist näha, kodeerivad sel juhul tekkivad kolmikud GUA või GUG aminohapet valiini. Milleni selline asendus viib, teate juba DNA-d käsitlevast jaotisest.

4. Geenide vahel on "kirjavahemärgid". Trükitekstis on iga fraasi lõpus punkt. Mitmed seotud fraasid moodustavad lõigu. Geneetilise informatsiooni keeles on selline lõik operon ja seda komplementaarne mRNA. Iga operonis olev geen kodeerib ühte polüpeptiidahelat – fraasi. Kuna paljudel juhtudel luuakse mRNA matriitsis järjestikku mitu erinevat polüpeptiidahelat, tuleb need üksteisest eraldada. Selleks on geneetilises koodis kolm spetsiaalset kolmikut - UAA, UAG, UGA, millest igaüks näitab ühe polüpeptiidahela sünteesi katkemist. Seega täidavad need kolmikud kirjavahemärkide funktsiooni. Need on iga geeni lõpus. Geeni sees pole "kirjavahemärke". Kuna geneetiline kood on nagu keel, siis analüüsime seda omadust sellise kolmikutest koostatud fraasi näitel: kass elas vaikselt, see kass oli minu peale vihane. Kirjutatu tähendus on selge, vaatamata "vahemärkide puudumisele. Kui esimesest sõnast eemaldame ühe tähe (geenis üks nukleotiid), aga loeme ka tähtede kolmikuid, siis saame jama: ilb ylk ott ihb yls yls erm ilm no otk tekib siis, kui geenist on puudu üks või kaks nukleotiidi. Valgul, mida selliselt kahjustatud geenilt loetakse, pole midagi pistmist normaalse geeni poolt kodeeritud valguga.

6. Kood on universaalne. Geneetiline kood on kõigi Maal elavate olendite jaoks sama. Bakterites ja seentes, nisus ja puuvillas, kalades ja ussides, konnades ja inimestes kodeerivad samad kolmikud samu aminohappeid.

Geeni klassifikatsioon

1) Alleelse paari interaktsiooni olemuse järgi:

Domineeriv (geen, mis on võimeline alla suruma alleelse retsessiivse geeni manifestatsiooni); - retsessiivne (geen, mille avaldumist pärsib alleelne domineeriv geen).

2) Funktsionaalne klassifikatsioon:

2) Geneetiline kood- need on teatud nukleotiidide kombinatsioonid ja nende asukoha järjestus DNA molekulis. See on viis valkude aminohappejärjestuse kodeerimiseks, kasutades nukleotiidide järjestust, mis on iseloomulik kõigile elusorganismidele.

DNA-s kasutatakse nelja nukleotiidi – adeniini (A), guaniini (G), tsütosiini (C), tümiini (T), mida venekeelses kirjanduses tähistatakse tähtedega A, G, T ja C. Need tähed moodustavad geneetilise koodi tähestik. RNA-s kasutatakse samu nukleotiide, välja arvatud tümiin, mis on asendatud sarnase nukleotiidiga - uratsiiliga, mida tähistatakse tähega U (venekeelses kirjanduses U). DNA ja RNA molekulides reastuvad nukleotiidid ahelatesse ja seega saadakse geneetiliste tähtede järjestused.

Geneetiline kood

Looduses kasutatakse valkude ehitamiseks 20 erinevat aminohapet. Iga valk on rangelt määratletud järjestuses aminohapete ahel või mitu ahelat. See järjestus määrab valgu struktuuri ja seega kõik selle bioloogilised omadused. Aminohapete komplekt on universaalne ka peaaegu kõigile elusorganismidele.

Geneetilise informatsiooni rakendamine elusrakkudes (st geeni poolt kodeeritud valgu süntees) toimub kahe maatriksprotsessi abil: transkriptsioon (st mRNA süntees DNA maatriksil) ja geneetilise koodi translatsioon aminohappejärjestus (polüpeptiidahela süntees mRNA maatriksil). 20 aminohappe kodeerimiseks piisab kolmest järjestikusest nukleotiidist ja ka stoppsignaalist, mis tähendab valgujärjestuse lõppu. Kolmest nukleotiidist koosnevat komplekti nimetatakse tripletiks. Aminohapetele ja koodonitele vastavad aktsepteeritud lühendid on näidatud joonisel.

Geneetilise koodi omadused

1. Kolmilisus- koodi oluline ühik on kolme nukleotiidi kombinatsioon (triplet või koodon).

2. Järjepidevus- kolmikute vahel ei ole kirjavahemärke, see tähendab, et teavet loetakse pidevalt.

3. diskreetsus- sama nukleotiid ei saa olla samaaegselt kahe või enama kolmiku osa.

4. Spetsiifilisus- teatud koodon vastab ainult ühele aminohappele.

5. Degeneratsioon (liignemine) Samale aminohappele võib vastata mitu koodonit.

6. Mitmekülgsus - geneetiline kood toimib organismides samamoodi erinevad tasemed keerukus - viirustest inimeseni. (sellel põhinevad geenitehnoloogia meetodid)

3) transkriptsioon - RNA sünteesi protsess, kasutades DNA-d matriitsina, mis esineb kõigis elusrakkudes. Teisisõnu, see on geneetilise teabe ülekandmine DNA-st RNA-sse.

Transkriptsiooni katalüüsib ensüüm DNA-sõltuv RNA polümeraas. RNA sünteesiprotsess kulgeb suunas 5 "- 3" - otsa, see tähendab, et RNA polümeraas liigub piki matriitsi DNA ahelat suunas 3 "-> 5"

Transkriptsioon koosneb initsiatsiooni, elongatsiooni ja lõpetamise etappidest.

Transkriptsiooni algatamine - raske protsess, mis sõltub transkribeeritava järjestuse läheduses olevast DNA järjestusest (ja eukarüootidel ka genoomi kaugematest osadest – võimendajatest ja summutitest) ning erinevate valgufaktorite olemasolust või puudumisest.

Pikendamine- Jätkub DNA ja RNA sünteesi edasine lahtikerimine mööda kodeerivat ahelat. see, nagu DNA süntees, viiakse läbi suunas 5-3

Lõpetamine- niipea kui polümeraas jõuab terminaatorisse, eraldatakse see kohe DNA-st, lokaalne DNA-RNA hübriid hävitatakse ja äsja sünteesitud RNA transporditakse tuumast tsütoplasmasse, kus transkriptsioon lõpeb.

Töötlemine- reaktsioonide kogum, mis viib transkriptsiooni ja translatsiooni põhiproduktide muundumiseni toimivateks molekulideks. Üksused alluvad funktsionaalselt mitteaktiivsete prekursormolekulide lagunemisele. ribonukleiinhape (tRNA, rRNA, mRNA) ja paljud teised. valgud.

Kataboolsete ensüümide (substraatide lõhustamise) sünteesi käigus toimub prokarüootides indutseeritud ensüümide süntees. See annab rakule võime tingimustega kohaneda. keskkond ja säästa energiat, peatades vastava ensüümi sünteesi, kui vajadus selle järele kaob.
Kataboolsete ensüümide sünteesi esilekutsumiseks on vaja järgmisi tingimusi:

1. Ensüüm sünteesitakse ainult siis, kui vastava substraadi lõhustamine on raku jaoks vajalik.
2. Enne vastava ensüümi moodustumist peab substraadi kontsentratsioon söötmes ületama teatud taseme.
Escherichia coli geeniekspressiooni reguleerimise mehhanismi saab kõige paremini uurida lac operoni näitel, mis kontrollib kolme laktoosi lagundava kataboolse ensüümi sünteesi. Kui rakus on palju glükoosi ja vähe laktoosi, jääb promootor passiivseks ning repressorvalk paikneb operaatoril – lac operoni transkriptsioon on blokeeritud. Kui glükoosi kogus keskkonnas ja seega ka rakus väheneb ja laktoosi sisaldus suureneb, ilmnevad järgmised sündmused: tsüklilise adenosiinmonofosfaadi kogus suureneb, see seondub CAP valguga - see kompleks aktiveerib promootori, millele RNA polümeraas seob; samal ajal seondub liigne laktoos repressorvalguga ja vabastab sellest operaatori - RNA polümeraasi tee on avatud, algab lac operoni struktuursete geenide transkriptsioon. Laktoos toimib nende ensüümide sünteesi induktorina, mis seda lagundavad.

5) Geeniekspressiooni reguleerimine eukarüootides on palju raskem. erinevad tüübid mitmerakulise eukarüootse organismi rakud sünteesivad mitmeid identseid valke ja samal ajal erinevad nad üksteisest seda tüüpi rakkudele spetsiifiliste valkude kogumi poolest. Tootmise tase sõltub rakkude tüübist, samuti organismi arenguastmest. Geeniekspressiooni reguleeritakse raku ja organismi tasandil. Eukarüootsete rakkude geenid jagunevad kaks põhitüübid: esimene määrab rakuliste funktsioonide universaalsuse, teine ​​määrab (defineerib) spetsialiseerumise rakulised funktsioonid. Geeni funktsioonid esimene rühm ilmuvad kõigis rakkudes. Diferentseeritud funktsioonide täitmiseks peavad spetsiaalsed rakud ekspresseerima kindlat geenide komplekti.
Eukarüootsete rakkude kromosoomidel, geenidel ja operonitel on mitmeid struktuurseid ja funktsionaalseid tunnuseid, mis seletab geeniekspressiooni keerukust.
1. Eukarüootsete rakkude operonitel on mitu geeni – regulaatorit, mis võivad paikneda erinevates kromosoomides.
2. Struktuurigeenid, mis juhivad ühe biokeemilise protsessi ensüümide sünteesi, võivad koonduda mitmesse operoni, mis paiknevad mitte ainult ühes DNA molekulis, vaid ka mitmes.
3. DNA molekuli kompleksjärjestus. Seal on informatiivsed ja mitteinformatiivsed lõigud, ainulaadsed ja korduvalt korduvad informatiivsed nukleotiidjärjestused.
4. Eukarüootsed geenid koosnevad eksonitest ja intronitest ning mRNA küpsemisega kaasneb intronite väljalõikamine vastavatest primaarsetest RNA transkriptidest (pro-i-RNA), s.o. splaissimine.
5. Geeni transkriptsiooni protsess sõltub kromatiini olekust. DNA lokaalne tihendamine blokeerib täielikult RNA sünteesi.
6. Transkriptsioon eukarüootsetes rakkudes ei ole alati seotud translatsiooniga. Sünteesitud mRNA võib kaua aega salvestada infosoomidena. Transkriptsioon ja translatsioon toimuvad erinevates sektsioonides.
7. Mõned eukarüootsed geenid on mittepüsiva lokalisatsiooniga (labiilsed geenid või transposoonid).
8. Molekulaarbioloogia meetodid näitasid histooni valkude inhibeerivat toimet mRNA sünteesile.
9. Organite arengu- ja diferentseerumisprotsessis sõltub geenide aktiivsus organismis ringlevatest hormoonidest, mis põhjustavad teatud rakkudes spetsiifilisi reaktsioone. Imetajatel tähtsust omab suguhormoonide toimet.
10. Eukarüootides ekspresseerub igas ontogeneesi etapis 5-10% geenidest, ülejäänud tuleks blokeerida.

6) geneetilise materjali parandamine

Geneetiline remont- geneetiliste kahjustuste kõrvaldamise ja päriliku aparatuuri taastamise protsess, mis toimub elusorganismide rakkudes spetsiaalsete ensüümide toimel. Rakkude võime parandada geneetilisi kahjustusi avastas esmakordselt 1949. aastal Ameerika geneetik A. Kelner. Remont- rakkude erifunktsioon, mis seisneb võimes korrigeerida keemilisi kahjustusi ja katkestusi DNA molekulides, mis on kahjustatud rakus toimuva DNA normaalse biosünteesi käigus või füüsikaliste või keemiliste mõjuritega kokkupuute tagajärjel. Seda viivad läbi raku spetsiaalsed ensüümsüsteemid. Mitmed pärilikud haigused (nt xeroderma pigmentosum) on seotud parandamissüsteemide kahjustusega.

Reparatsiooni tüübid:

Otsene parandamine on lihtsaim viis kahjustuste kõrvaldamiseks DNA-s, mis hõlmab tavaliselt spetsiifilisi ensüüme, mis suudavad kiiresti (tavaliselt ühes etapis) parandada vastava kahjustuse, taastades nukleotiidide algse struktuuri. Nii toimib näiteks O6-metüülguaniin-DNA-metüültransferaas, mis eemaldab metüülrühma lämmastikualusest ühele oma tsüsteiinijäägile.

GENEETILINE KOOD(kreeka keeles genetikos viitab päritolule; sün.: kood, bioloogiline kood, aminohappe kood, valgu kood, nukleiinhappe kood) – süsteem päriliku teabe salvestamiseks loomade, taimede, bakterite ja viiruste nukleiinhappemolekulides nukleotiidide järjestuse vaheldumise teel.

Geneetiline informatsioon (joonis) edastatakse rakult rakku, põlvest põlve, välja arvatud RNA-d sisaldavad viirused, edastatakse DNA molekulide reduplikatsiooni teel (vt Replikatsioon). DNA päriliku teabe juurutamine raku eluea jooksul toimub 3 tüüpi RNA kaudu: teave (mRNA või mRNA), ribosomaalne (rRNA) ja transport (tRNA), mis sünteesitakse DNA-l nagu maatriksil abiga. RNA polümeraasi ensüüm. Samal ajal määrab nukleotiidide järjestus DNA molekulis unikaalselt nukleotiidide järjestuse kõigis kolmes RNA tüübis (vt Transkriptsioon). Valgumolekuli kodeeriva geeni (vt) teavet kannab ainult mRNA. Päriliku teabe rakendamise lõpp-produktiks on valgumolekulide süntees, mille spetsiifilisuse määrab nende aminohapete järjestus (vt tõlget).

Kuna DNA-s või RNA-s on ainult 4 erinevat lämmastikualust [DNA-s - adeniin (A), tümiin (T), guaniin (G), tsütosiin (C); RNA-s - adeniin (A), uratsiil (U), tsütosiin (C), guaniin (G)], mille järjestus määrab valgu 20 aminohappe järjestuse, G. kuni probleem, st. 4-tähelise nukleiinhapete tähestiku tõlkimise probleem 20-täheliseks polüpeptiidide tähestikuks.

Esimest korda sõnastas N. K. Koltsov 1928. aastal idee valgumolekulide maatriksisünteesist koos hüpoteetilise maatriksi omaduste õige ennustamisega. 1944. aastal leidsid Avery (O. Avery) jt, et DNA molekulid vastutavad pneumokokkide transformatsiooni käigus pärilike tunnuste ülekandumise eest. 1948. aastal näitas E. Chargaff, et kõigis DNA molekulides on vastavate nukleotiidide (A-T, G-C) kvantitatiivne võrdsus. 1953. aastal jõudsid F. Crick, J. Watson ja Wilkins (M. H. F. Wilkins) sellele reeglile ja röntgendifraktsioonianalüüsi andmetele (vt.) tuginedes järeldusele, et DNA molekul on kaksikheeliks, mis koosneb kahest polünukleotiidist. ahelad, mis on omavahel seotud vesiniksidemetega. Veelgi enam, ainult T saab paikneda ühe ahela A vastas teises ja ainult C vastu G. See komplementaarsus viib selleni, et ühe ahela nukleotiidjärjestus määrab üheselt teise ahela järjestuse. Teine oluline järeldus, mis sellest mudelist tuleneb, on see, et DNA molekul on võimeline ise paljunema.

1954. aastal sõnastas G. Gamow G. to. probleemi oma kaasaegne vorm. 1957. aastal väljendas F. Crick adapteri hüpoteesi, eeldades, et aminohapped interakteeruvad nukleiinhappega mitte otse, vaid vahendajate (praegu tuntud kui tRNA) kaudu. Järgnevatel aastatel pärast seda kõik peamised lingid üldine skeem geneetilise teabe edastamine, mis oli algselt hüpoteetiline, kinnitati eksperimentaalselt. 1957. aastal avastati mRNA-d [A. S. Spirin, A. N. Belozersky jt; Folkin ja Astrahan (E. Volkin, L. Astrachan)] ja tRNA [Hoagland (M. V. Hoagland)]; 1960. aastal sünteesiti DNA väljaspool rakku, kasutades matriitsina olemasolevaid DNA makromolekule (A. Kornberg) ja avastati DNA-st sõltuv RNA süntees [Weiss (S. V. Weiss) et al.]. 1961. aastal loodi rakuvaba süsteem, milles loodusliku RNA või sünteetiliste polüribonukleotiidide juuresolekul sünteesiti valgutaolisi aineid [M. Nirenberg ja Matthaei (J. H. Matthaei)]. G. to. tunnetuse probleem koosnes uurimusest ühised omadused kood ja selle tegelik dekodeerimine, st välja selgitada, millised nukleotiidide (koodonite) kombinatsioonid teatud aminohappeid kodeerivad.

Koodi üldised omadused selgitati välja sõltumata selle dekodeerimisest ja peamiselt enne seda mutatsioonide tekke molekulaarmustreid analüüsides (F. Crick et al., 1961; N. V. Luchnik, 1963). Nad jõuavad selleni:

1. Kood on universaalne, s.t identne, vähemalt põhiosas, kõigi elusolendite jaoks.

2. Kood on kolmik, see tähendab, et iga aminohapet kodeerib kolmik nukleotiidi.

3. Kood on mittekattuv, st antud nukleotiid ei saa olla osa rohkem kui ühest koodonist.

4. Kood on degenereerunud, see tähendab, et ühte aminohapet võib kodeerida mitu kolmikut.

5. Infot valgu primaarstruktuuri kohta loetakse mRNA-st järjestikku, alustades kindlast punktist.

6. Enamikul võimalikest kolmikutest on "tähendus", st kodeerivad aminohappeid.

7. Koodoni kolmest "tähest" on esmatähtsad vaid kaks (kohustuslik), kolmas (valikuline) kannab aga palju vähem informatsiooni.

Koodi otsene dekodeerimine seisneks struktuurgeenis oleva nukleotiidjärjestuse (või sellel sünteesitud mRNA) võrdlemises vastava valgu aminohappejärjestusega. See viis on aga tehniliselt endiselt võimatu. Kasutati veel kahte võimalust: valkude süntees rakuvabas süsteemis, kasutades maatriksina teadaoleva koostisega kunstlikke polüribonukleotiide ja mutatsioonide moodustumise molekulaarsete mustrite analüüs (vt.). Esimene tõi positiivseid tulemusi juba varem ja mängis ajalooliselt suurt rolli G. to dešifreerimisel.

1961. aastal kasutasid M. Nirenberg ja Mattei maatriksina homopolümeeri - sünteetilist polüuridüülhapet (s.o. tehis-RNA koostisega UUUU ...) ja said polüfenüülalaniini. Sellest järeldub, et fenüülalaniini koodon koosneb mitmest U-st, st kolmikkoodi puhul tähistab see UUU-d. Hiljem hakati koos homopolümeeridega kasutama erinevatest nukleotiididest koosnevaid polüribonukleotiide. Sel juhul oli teada vaid polümeeride koostis, samas kui nukleotiidide paigutus neis oli statistiline ning seetõttu oli tulemuste analüüs statistiline ja andis kaudseid järeldusi. Üsna kiiresti õnnestus kõigi 20 aminohappe jaoks leida vähemalt üks kolmik. Selgus, et orgaaniliste lahustite olemasolu, pH või temperatuuri muutused, mõned katioonid ja eriti antibiootikumid muudavad koodi mitmetähenduslikuks: samad koodonid hakkavad stimuleerima teiste aminohapete kaasamist, mõnel juhul hakkas üks koodon kodeerima üles. neljale erinevale aminohappele. Streptomütsiin mõjutas teabe lugemist nii rakuvabades süsteemides kui ka in vivo ning oli efektiivne ainult streptomütsiinitundlike bakteritüvede puhul. Streptomütsiinist sõltuvates tüvedes "parandas" ta mutatsiooni tagajärjel muutunud koodonite näitu. Sarnased tulemused andsid põhjust kahelda G. dekodeerimise õigsuses rakuvaba süsteemi abil; kinnitus oli vajalik ja seda peamiselt in vivo andmete põhjal.

Peamised andmed G. to. kohta in vivo saadi valkude aminohappelise koostise analüüsimisel organismides, mida on töödeldud mutageenidega (vt), millel on teadaolev toimemehhanism, näiteks lämmastikku sisaldav to-one, mis põhjustab C asendamise U ja A autor G. Kasulik informatsioon annab ka analüüsi mittespetsiifiliste mutageenide põhjustatud mutatsioonide kohta, võrreldakse sugulasvalkude primaarstruktuuri erinevusi. erinevad tüübid, korrelatsioon DNA ja valkude koostise vahel jne.

G. dekodeerimine in vivo ja in vitro andmete põhjal andis kokkulangevad tulemused. Hiljem töötati välja veel kolm meetodit koodi dešifreerimiseks rakuvabades süsteemides: aminoatsüül-tRNA (st tRNA koos kinnitatud aktiveeritud aminohappega) sidumine teadaoleva koostisega trinukleotiididega (M. Nirenberg et al., 1965); aminoatsüül-tRNA sidumine polünukleotiididega, mis algavad teatud tripletiga (Mattei et al., 1966), ja polümeeride kasutamine mRNA-na, mille puhul on teada mitte ainult koostis, vaid ka nukleotiidide järjekord (X. Korana et al. ., 1965). Kõik kolm meetodit täiendavad üksteist ja tulemused on kooskõlas in vivo katsetes saadud andmetega.

70ndatel. 20. sajandil olid meetodid G. dekodeerimise tulemuste eriti usaldusväärseks kontrollimiseks. On teada, et proflaviini mõjul tekkivad mutatsioonid seisnevad eraldi nukleotiidide kadumises või sisestamises, mis viib lugemisraami nihkeni. T4 faagis kutsus proflaviin esile mitmeid mutatsioone, mille käigus muutus lüsosüümi koostis. Seda koostist analüüsiti ja võrreldi nende koodonitega, mis oleks pidanud saama lugemisraami nihkega. Seal oli täielik matš. Lisaks võimaldas see meetod kindlaks teha, millised degenereerunud koodi kolmikud kodeerivad iga aminohapet. 1970. aastal õnnestus Adamsil (J. M. Adams) ja tema kaastöötajatel G. to. osaliselt dešifreerida otsese meetodiga: R17 faagis määrati alusjärjestus 57 nukleotiidi pikkuses fragmendis ja võrreldi selle kestavalk. Tulemused olid täielikult kooskõlas vähem otseste meetoditega saadud tulemustega. Seega dešifreeritakse kood täielikult ja õigesti.

Dekodeerimise tulemused on kokku võetud tabelis. See loetleb koodonite ja RNA koostise. tRNA antikoodonite koostis on komplementaarne mRNA koodonitega, st sisaldavad U asemel A, A - U asemel C - G ja G - C asemel ning vastavad struktuurgeeni (see ahela) koodonitele. DNA, mille abil teavet loetakse), ainsa erinevusega on see, et tümiini asendab uratsiil. 64 tripletist, mida saab moodustada 4 nukleotiidi kombinatsiooniga, on 61-l "mõistus", st kodeerivad aminohappeid, ja 3 on "mõttetu" (ilma tähenduseta). Kolmikute koostise ja nende tähenduse vahel on üsna selge seos, mis avastati isegi koodi üldisi omadusi analüüsides. Mõnel juhul iseloomustab spetsiifilist aminohapet (nt proliin, alaniin) kodeerivaid kolmikuid asjaolu, et kaks esimest nukleotiidi (obligaatsed) on samad ja kolmas (valikuline) võib olla ükskõik milline. Muudel juhtudel (näiteks asparagiini, glutamiini kodeerimisel) on kahel sarnasel kolmikul sama tähendus, kus esimesed kaks nukleotiidi langevad kokku ja mis tahes puriin või mis tahes pürimidiin asendab kolmandat.

Nonsensskoodonid, millest 2 kannavad erinimesid, mis vastavad faagimutantide tähistusele (UAA-ooker, UAG-amber, UGA-opaal), kuigi nad ei kodeeri ühtegi aminohapet, kuid neil on suur tähtsus informatsiooni lugemisel, kodeerib polüpeptiidahela lõppu.

Infot loetakse suunas 5 1 -> 3 1 - nukleotiidahela lõpuni (vt Deoksüribonukleiinhapped). Sel juhul toimub valgusüntees vaba aminorühmaga aminohappest vaba karboksüülrühmaga aminohappeks. Sünteesi algust kodeerivad AUG- ja GUG-tripletid, mis sel juhul sisaldavad spetsiifilist aminoatsüül-tRNA-d, nimelt N-formüülmetionüül-tRNA-d. Samad kolmikud, kui need paiknevad ahelas, kodeerivad vastavalt metioniini ja valiini. Ebaselguse eemaldab see, et lugemise algusele eelneb jama. On tõendeid selle kohta, et piir erinevaid valke kodeerivate mRNA piirkondade vahel koosneb enam kui kahest kolmikust ja nendes kohtades muutub RNA sekundaarne struktuur; see küsimus on uurimisel. Kui nonsensskoodon esineb struktuurgeenis, siis ehitatakse vastav valk ainult selle koodoni asukohani.

Geneetilise koodi avastamine ja dekodeerimine - molekulaarbioloogia silmapaistev saavutus - avaldas mõju kogu bioloogiale, teadustele, mõnel juhul pannes aluse spetsiaalsete suurte sektsioonide väljatöötamisele (vt Molekulaargeneetika). G. avavat mõju ja sellega seotud uuringuid võrreldakse Darwini teooriaga biol, teadustele antud mõjuga.

G. to. universaalsus on otsene tõend elu põhiliste molekulaarsete mehhanismide universaalsusest kõigis esindajates. orgaaniline maailm. Samal ajal on suured erinevused geneetilise aparaadi funktsioonides ja selle struktuuris üleminekul prokarüootidelt eukarüootidele ja ainurakselt mitmerakulistele ilmselt seotud molekulaarsete erinevustega, mille uurimine on üks tuleviku ülesandeid. Kuna G. to. uurimine on ainult küsimus Viimastel aastatel, on saadud tulemuste tähtsus praktilise meditsiini jaoks vaid kaudne, võimaldades mõista haiguste olemust, patogeenide ja raviainete toimemehhanismi. Selliste nähtuste nagu transformatsioon (vt.), transduktsioon (vt.), allasurumine (vt.) avastamine viitab aga põhimõttelisele võimalusele patoloogiliselt muutunud pärilikku teavet parandada või selle korrigeerimist – nn. geenitehnoloogia (vt).

Tabel. GENEETILINE KOOD

* Kodeerib keti lõppu.

** Kodeerib ka ahela algust.

Bibliograafia: Ichas M. Bioloogiline kood, tlk. inglise keelest, M., 1971; Archer N.B. Tsütogeneetiliste kahjustuste biofüüsika ja geneetiline kood, L., 1968; Molekulaargeneetika, trans. inglise keelest, toim. A. N. Belozersky, 1. osa, M., 1964; Nukleiinhapped, trans. inglise keelest, toim. A. N. Belozersky, Moskva, 1965. Watson J.D. Molekulaarbioloogia geen, trans. inglise keelest, M., 1967; Physiological Genetics, toim. M. E. Lobaševa S. G., Inge-Vechtoma-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonucleins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v „E. Geissler, B., 1972; Geneetiline kood, Gold Spr. Harb. Sümp. kvant. Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. Geneetiline kood, N. Y. a. o., 1967.

Igal elusorganismil on spetsiaalne valkude komplekt. Teatud nukleotiidide ühendid ja nende järjestus DNA molekulis moodustavad geneetilise koodi. See annab teavet valgu struktuuri kohta. Geneetikas on omaks võetud teatud kontseptsioon. Tema sõnul vastas üks geen ühele ensüümile (polüpeptiidile). Olgu öeldud, et nukleiinhapete ja valkude uuringuid on tehtud üsna pikka aega. Artiklis vaatleme lähemalt geneetilist koodi ja selle omadusi. Samuti antakse lühike kronoloogia uurimistööst.

Terminoloogia

Geneetiline kood on viis aminohappevalgu järjestuse kodeerimiseks nukleotiidjärjestuse abil. See teabe moodustamise meetod on omane kõigile elusorganismidele. Valgud on kõrge molekulmassiga looduslikud orgaanilised ained. Neid ühendeid leidub ka elusorganismides. Need koosnevad 20 tüüpi aminohapetest, mida nimetatakse kanoonilisteks. Aminohapped on paigutatud ahelasse ja ühendatud rangelt kehtestatud järjestuses. See määrab valgu struktuuri ja selle bioloogilised omadused. Valgus on ka mitmeid aminohapete ahelaid.

DNA ja RNA

Desoksüribonukleiinhape on makromolekul. Ta vastutab päriliku teabe edastamise, säilitamise ja rakendamise eest. DNA kasutab nelja lämmastiku alust. Nende hulka kuuluvad adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin. RNA koosneb samadest nukleotiididest, välja arvatud see, mis sisaldab tümiini. Selle asemel on olemas uratsiili (U) sisaldav nukleotiid. RNA ja DNA molekulid on nukleotiidahelad. Tänu sellele struktuurile moodustuvad järjestused - "geneetiline tähestik".

Teabe rakendamine

Geeni poolt kodeeritud valgu süntees realiseeritakse mRNA kombineerimisel DNA matriitsil (transkriptsioon). Samuti toimub geneetilise koodi ülekandmine aminohapete järjestusse. See tähendab, et mRNA-l toimub polüpeptiidahela süntees. Kõigi aminohapete kodeerimiseks ja valgujärjestuse lõpust märku andmiseks piisab 3 nukleotiidist. Seda ahelat nimetatakse kolmikuks.

Uurimislugu

Valkude ja nukleiinhapete uurimist on tehtud pikka aega. 20. sajandi keskel ilmusid lõpuks esimesed ideed geneetilise koodi olemuse kohta. 1953. aastal leiti, et mõned valgud koosnevad aminohapete järjestustest. Tõsi, sel ajal ei osanud nad oma täpset arvu veel kindlaks teha ja selle üle oli palju vaidlusi. 1953. aastal avaldasid Watson ja Crick kaks artiklit. Esimene deklareeris DNA sekundaarstruktuuri, teine ​​rääkis selle lubatavast kopeerimisest maatrikssünteesi abil. Lisaks pandi rõhku sellele, et konkreetne aluste jada on kood, mis kannab pärilikku teavet. Ameerika ja Nõukogude füüsik Georgi Gamov tunnistas kodeerimise hüpoteesi ja leidis meetodi selle kontrollimiseks. 1954. aastal avaldati tema töö, mille käigus ta esitas ettepaneku luua vastavused aminohapete külgahelate ja rombikujuliste "aukude" vahel ning kasutada seda kodeerimismehhanismina. Siis nimetati seda rombiks. Oma tööd selgitades tunnistas Gamow, et geneetiline kood võib olla kolmik. Füüsiku töö oli üks esimesi nende seas, mida tõele lähedaseks peeti.

Klassifikatsioon

Mõne aasta pärast tehti ettepanek erinevaid mudeleid geneetilised koodid, mida on kahte tüüpi: kattuvad ja mittekattuvad. Esimene põhines ühe nukleotiidi esinemisel mitme koodoni koostises. Selle juurde kuulub kolmnurkne, järjestikune ja major-moll geneetiline kood. Teine mudel eeldab kahte tüüpi. Mittekattuvate sõnade hulka kuuluvad kombinatsioonid ja "kood ilma komadeta". Esimene variant põhineb aminohappe kodeerimisel nukleotiidi kolmikute poolt ja selle koostis on peamine. "Komakoodita" järgi vastavad teatud kolmikud aminohapetele, ülejäänud aga mitte. Sel juhul arvati, et kui mõni oluline kolmik paigutatakse järjestikku, osutuvad teised, mis asuvad erinevas lugemisraamis, mittevajalikuks. Teadlased uskusid, et on võimalik valida nendele nõuetele vastav nukleotiidjärjestus ja kolmikuid on täpselt 20.

Kuigi Gamow jt seadsid selle mudeli kahtluse alla, peeti seda järgmise viie aasta jooksul kõige õigemaks. 20. sajandi teise poole alguses ilmusid uued andmed, mis võimaldasid avastada mõningaid puudujääke "komavaba koodi" osas. On leitud, et koodonid on võimelised indutseerima valgusünteesi in vitro. Aastale 1965 lähemal mõistsid nad kõigi 64 kolmiku põhimõtet. Selle tulemusena leiti mõnede koodonite liiasus. Teisisõnu, aminohapete järjestust kodeerivad mitmed kolmikud.

Iseloomulikud tunnused

Geneetilise koodi omadused hõlmavad järgmist:

Variatsioonid

Esimest korda avastati geneetilise koodi kõrvalekalle standardist 1979. aastal inimorganismi mitokondriaalsete geenide uurimisel. Tuvastati veel sarnaseid variante, sealhulgas palju alternatiivseid mitokondriaalseid koode. Nende hulka kuulub stoppkoodoni UGA dešifreerimine, mida kasutatakse mükoplasmades trüptofaani määratlusena. Algvariantidena kasutatakse sageli GUG-i ja UUG-i arhees ja bakterites. Mõnikord kodeerivad geenid valku stardikoodonist, mis erineb selle liigi tavaliselt kasutatavast. Samuti sisestatakse mõnesse valku ribosoomi kaudu selenotsüsteiin ja pürrolüsiin, mis on mittestandardsed aminohapped. Ta loeb stoppkoodonit. See sõltub mRNA-s leiduvatest järjestustest. Praegu peetakse selenotsüsteiini 21., pürrolisaani - 22. aminohapet valkudes.

Geneetilise koodi üldised tunnused

Kõik erandid on aga haruldased. Elusorganismides on üldiselt geneetilisel koodil mitmeid ühiseid jooni. Need hõlmavad kolme nukleotiidi sisaldava koodoni koostist (kaks esimest kuuluvad määravate hulka), koodonite ülekandmist tRNA ja ribosoomide abil aminohappejärjestusse.

Geneetiline kood, mida nimetatakse ka aminohappekoodiks, on süsteem teabe salvestamiseks valgu aminohapete järjestuse kohta, kasutades DNA nukleotiidijääkide järjestust, mis sisaldavad ühte neljast lämmastiku alusest: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja tümiin (T). Kuna aga kaheahelaline DNA spiraal ei ole otseselt seotud ühe neist ahelatest kodeeritud valgu (st RNA) sünteesiga, on kood kirjutatud RNA keeles, milles uratsiil (U) on lisatud tümiini asemel. Samal põhjusel on tavaks öelda, et kood on nukleotiidide, mitte aluspaaride jada.

Geneetiline kood on esindatud teatud koodsõnadega - koodonid.

Esimese koodisõna dešifreerisid Nirenberg ja Mattei aastal 1961. Nad said E. coli'st ekstrakti, mis sisaldas ribosoome ja muid valgusünteesiks vajalikke tegureid. Tulemuseks oli rakuvaba valgusünteesi süsteem, mis suudab aminohapetest valgu kokku panna, kui söötmele lisati vajalik mRNA. Lisades söötmele sünteetilist RNA-d, mis koosnes ainult uratsiilidest, leidsid nad, et tekkis valk, mis koosnes ainult fenüülalaniinist (polüfenüülalaniinist). Nii leiti, et UUU nukleotiidide kolmik (koodon) vastab fenüülalaniinile. Järgmise 5-6 aasta jooksul määrati kõik geneetilise koodi koodonid.

Geneetiline kood on omamoodi sõnastik, mis tõlgib nelja nukleotiidiga kirjutatud teksti 20 aminohappega kirjutatud valgutekstiks. Ülejäänud valkudes leiduvad aminohapped on ühe 20 aminohappest modifikatsioonid.

Geneetilise koodi omadused

Geneetilisel koodil on järgmised omadused.

1. Kolmilisus Iga aminohape vastab kolmele nukleotiidile. Lihtne on arvutada, et koodoneid on 4 3 = 64. Neist 61 on semantilised ja 3 mõttetud (lõpu-, stoppkoodonid).
2. Järjepidevus(nukleotiidide vahel ei ole eraldavaid märke) - intrageensete kirjavahemärkide puudumine;

   Geeni sees on iga nukleotiid osa olulisest koodonist. 1961. aastal Seymour Benzer ja Francis Crick tõestasid katseliselt kolmikkoodi ja selle järjepidevust (kompaktsust) [saade]

   

   Katse olemus: "+" mutatsioon - ühe nukleotiidi sisestamine. "-" mutatsioon - ühe nukleotiidi kadu.

   Üksik mutatsioon ("+" või "-") geeni alguses või topeltmutatsioon ("+" või "-") rikub kogu geeni.

   Kolmikmutatsioon ("+" või "-") geeni alguses rikub ainult osa geenist.

   Neljakordne "+" või "-" mutatsioon rikub taas kogu geeni.

   Katse viidi läbi kahe külgneva faagigeeniga ja see näitas seda

   1. kood on kolmik ja geeni sees pole kirjavahemärke
   2. geenide vahel on kirjavahemärgid
3. Geenidevaheliste kirjavahemärkide olemasolu- initsieerivate koodonite (need alustavad valkude biosünteesi), koodonite - terminaatorite olemasolu (näitavad valgu biosünteesi lõppu);

   Tavapäraselt kuulub kirjavahemärkide hulka ka koodon AUG – esimene juhtjärjestuse järel. See täidab suure algustähe funktsiooni. Selles asendis kodeerib see formüülmetioniini (prokarüootides).

   Iga polüpeptiidi kodeeriva geeni lõpus on vähemalt üks kolmest terminatsioonikoodonist ehk stoppsignaalist: UAA, UAG, UGA. Nad lõpetavad saate.

4. Kollineaarsus- mRNA koodonite ja aminohapete lineaarse järjestuse vastavus valguses.
5. Spetsiifilisus- iga aminohape vastab ainult teatud koodonitele, mida ei saa kasutada teise aminohappe jaoks.
6. Ühesuunaline- koodoneid loetakse ühes suunas - esimesest nukleotiidist järgmiseni
7. Degeneratsioon ehk koondamine, - ühte aminohapet võib kodeerida mitu kolmikut (aminohappeid - 20, võimalikke kolmikuid - 64, neist 61 on semantilised, s.t. keskmiselt vastab igale aminohappele umbes 3 koodonit); erandiks on metioniin (Met) ja trüptofaan (Trp).

   Koodi degeneratsiooni põhjuseks on see, et põhilist semantilist koormust kannavad kolmiku kaks esimest nukleotiidi ja kolmas pole nii oluline. Siit koodi degeneratsiooni reegel : kui kahel koodonil on kaks identset esimest nukleotiidi ja nende kolmandad nukleotiidid kuuluvad samasse klassi (puriin või pürimidiin), siis kodeerivad nad sama aminohapet.

   Sellest aga ideaalne reegel on kaks erandit. Need on AUA koodon, mis ei peaks vastama mitte isoleutsiinile, vaid metioniinile, ja UGA koodon, mis on terminaator, samas kui see peaks vastama trüptofaanile. Koodi degeneratsioonil on ilmselgelt adaptiivne väärtus.

8. Mitmekülgsus- kõik ülaltoodud geneetilise koodi omadused on iseloomulikud kõigile elusorganismidele.

   koodon	Universaalne kood	Mitokondriaalsed koodid
   		Selgroogsed	Selgrootud	Pärm	Taimed
   UGA	STOP	trp	trp	trp	STOP
   AUA	ile	Kohtusime	Kohtusime	Kohtusime	ile
   CUA	Leu	Leu	Leu	Thr	Leu
   AGA	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg
   AGG	Arg	STOP	Ser	Arg	Arg

   AT viimastel aegadel Koodi universaalsuse printsiip sai kõikuma seoses Berelli poolt 1979. aastal avastatud inimese mitokondrite ideaalkoodiga, milles täidetakse koodi degeneratsioonireegel. Mitokondriaalses koodis vastab UGA koodon trüptofaanile ja AUA metioniinile, nagu nõuab koodi degeneratsiooni reegel.

   Võib-olla oli evolutsiooni alguses kõigil kõige lihtsamatel organismidel sama kood, mis mitokondritel, ja siis toimusid selles väikesed kõrvalekalded.

9. mittekattuvad- iga geneetilise teksti kolmik on üksteisest sõltumatu, üks nukleotiid on osa ainult ühest kolmikust; Joonisel fig. näitab erinevust kattuva ja mittekattuva koodi vahel.

   1976. aastal φX174 faagi DNA sekveneeriti. Sellel on 5375 nukleotiidist koosnev üheahelaline ringikujuline DNA. Teadaolevalt kodeerib faag 9 valku. Neist 6 puhul tuvastati üksteise järel paiknevad geenid.

   Selgus, et tegemist on kattumisega. E geen on täielikult geenis D. Selle alguskoodon ilmub lugemisel ühe nukleotiidi nihke tulemusena. J geen algab sealt, kus lõpeb geen D. J geeni alguskoodon kattub kahe nukleotiidi nihkega D geeni stoppkoodoniga. Disaini nimetatakse "lugemisraami nihkeks" nukleotiidide arvu järgi, mis ei ole kolmekordne. Praeguseks on kattumist näidatud vaid mõne faagi puhul.

10. Mürakindlus- konservatiivsete asenduste arvu ja radikaalsete asenduste arvu suhe.

    Nukleotiidide asenduste mutatsioone, mis ei too kaasa muutust kodeeritud aminohappe klassis, nimetatakse konservatiivseteks. Nukleotiidide asenduste mutatsioone, mis põhjustavad kodeeritud aminohappe klassi muutumist, nimetatakse radikaalideks.

    Kuna sama aminohapet võivad kodeerida erinevad kolmikud, siis mõned asendused kolmikutes ei too kaasa kodeeritud aminohappe muutust (näiteks UUU -> UUC jätab fenüülalaniini). Mõned asendused muudavad aminohappe teiseks samast klassist (mittepolaarne, polaarne, aluseline, happeline), teised asendused muudavad ka aminohappe klassi.

    Igas kolmikus saab teha 9 üksikut asendust, s.t. saate valida, millist positsiooni muuta - kolmel viisil (1. või 2. või 3.) ja valitud tähte (nukleotiidi) saab muuta 4-1 = 3 muud täheks (nukleotiidiks). Võimalike nukleotiidide asenduste koguarv on 61 korda 9 = 549.

    Geneetilise koodi tabeli põhjal saab kindlaks teha, et: 23 nukleotiidi asendust põhjustavad koodonite - translatsiooni terminaatorite - ilmumist. 134 asendust ei muuda kodeeritud aminohapet. 230 asendust ei muuda kodeeritud aminohappe klassi. 162 asendust toovad kaasa muutuse aminohappeklassis, s.t. on radikaalsed. 3. nukleotiidi 183 asendusest 7 põhjustavad translatsiooniterminaatorite ilmumist ja 176 on konservatiivsed. 1. nukleotiidi 183 asendusest 9 viivad terminaatorite ilmnemiseni, 114 on konservatiivsed ja 60 radikaalsed. 2. nukleotiidi 183 asendusest 7 viivad terminaatorite ilmnemiseni, 74 on konservatiivsed ja 102 on radikaalsed.