Генетичний кодекс - біологія

генетичний код є правилом, згідно з яким групи з трьох послідовних нуклеобаз в нуклеїнових кислотах - звані триплетами або кодонами - перетворюються в амінокислоти. Цей трансляція, що називається трансляцією, відбувається, коли амінокислоти пов'язані з різними переносними рибонуклеїновими кислотами (тРНК), за допомогою яких амінокислоти розташовуються або активуються для їх складання у білки.

біологія

Переносні рибонуклеїнові кислоти відрізняються своїм триклетом нуклеотидів, розташованим у видному молекулярному місці, який складається з трьох нуклеотидів кожен, що відповідають нуклеотидам певного кодону (є взаємодоповнюючими), отже, тристороння Антикодон форму. Кодон і антикодон - це специфічний збіг, і їм за генетичним кодом присвоюється певна амінокислота. Амінокислота, для якої є кодон, що відповідає антикодону тРНК, зв’язана з кожною переносною рибонуклеїновою кислотою. Таким чином, завдяки специфічному зв’язуванню амінокислоти з тРНК з антикодоном, передбаченим генетичним кодом, символ певної амінокислоти, кодон, перекладається в амінокислоту, передбачену генетичним кодом. Власне кажучи, трансляція вже міститься в структурі різних типів тРНК: кожна молекула тРНК містить сайт зв'язування амінокислот, структурований таким чином, що з ним може бути пов'язана лише амінокислота, яка відповідає антикодону цієї тРНК відповідно до генетичного коду.

Після зв’язування амінокислот з тРНК може розпочатися синтез білка, визначеного послідовністю кодонів у дезоксирибонуклеїновій кислоті (ДНК). Як передумова цього синтезу, сегмент ДНК гена спочатку перетворюється на ризорнуклеїнову кислоту (мРНК), що передає (транскрипція); після цього певні частини цієї мРНК свідомо видаляються в еукаріотах (сплайсинг). Нарешті, амінокислоти тРНК, які відповідають кодонам, пов’язані між собою, утворюючи поліпептидний ланцюг.

Всі етапи, що слідують за синтезом та сплайсингом мРНК до синтезу білків включно, називаються трансляцією, оскільки перетворення триплетної послідовності ДНК в амінокислотну послідовність стає зрозумілим під час синтезу білка. Фактичне застосування генетичного коду, перетворення кодону в амінокислоту, відбувається лише тоді, коли амінокислоти пов'язані з тРНК, тобто коли амінокислоти підготовлені до складання білків. Деякі основні триплети не кодують амінокислоту. Вони також відомі як безглузді кодони. Вони ведуть до зупинки трансляції, яка закінчує синтез білка (стоп-кодони).

В основному всі живі істоти використовують однаковий генетичний код. Найпоширеніша версія наведена в наступних таблицях. Вони показують, які амінокислоти з 4 3 = 64 можливих кодонів закодований і які кодони кодують кожну з 20 канонічних амінокислот, що використовуються при перекладі. Наприклад, кодон GAU означає амінокислоту Asp (аспарагінова кислота), а Cys (цистеїн) кодується кодонами UGU та UGC. Основами, що використовуються в таблиці, є аденін, гуанін, цитозин та урацил мРНК; в ДНК замість урацилу використовується тимін.

Історія відкриття

У першій половині 1960-х років серед біохіміків існувала певна конкуренція за розуміння генетичного коду. 27 травня 1961 року о 3 годині ночі німецький біохімік Генріх Маттей досяг експериментального полі-U вирішального прориву в лабораторії Маршалла Ніренберга: розшифровка кодону UUU для амінокислоти фенілаланін. Цей експеримент описаний деякими генетиками як найважливіший у 20 столітті. У 1966 році, через п'ять років після розшифровки першого кодону, генетичний код був повністю розшифрований з усіма 64 базовими триплетами.

Кодон

Коли Кодон одна описує послідовність трьох нуклеобаз (триплет основи) мРНК, яка кодує амінокислоту в генетичному коді. Всього існує 4 3 = 64 можливих кодони, три з яких є безглуздими кодонами, вони використовуються для припинення трансляції, решта 61 кодують 20 канонічних протеїногенних амінокислот. Існує кілька різних кодувань багатьох амінокислот. Проте кодування як триплет є необхідним, оскільки при дублетному кодуванні вийде лише 4 2 = 16 можливих кодонів, і, отже, буде недостатньо можливостей для охоплення всіх 20 канонічних амінокислот.

Переклад починається зі стартового кодону, але одного цього недостатньо для запуску процесу. Деякі послідовності ініціації, близькі до стартового кодону, також необхідні для здійснення транскрипції в мРНК та її зв'язування з рибосомою. Найважливішим початковим кодоном є AUG, який також кодує метіонін. CUG та UUG, а також GUG та AUU у прокаріотів, також працюють, але зі значно меншою ефективністю. Першою амінокислотою завжди є метіонін.

Переклад закінчується одним із трьох стоп-кодонів, які також називаються безглуздими кодонами. Спочатку ці кодони отримували назви - UAG бурштин (бурштиновий), UGA є опал (опал), а UAA є охра (охра), п’єса на ім’я першовідкривача (Гарріс Бернштейн).

Хоча кодон UGA в основному використовується як Стоп читається, він рідко може і лише за певних умов позначає 21-ю амінокислоту: селеноцистеїн (сек.). Біосинтез та механізм включення селеноцистеїну в білки сильно відрізняється від усіх інших амінокислот: його введення вимагає нового етапу трансляції, при якому UGA інтерпретується по-різному в певному середовищі послідовності та разом з певними кофакторами. Для цього потрібна унікальна за структурою селеноцистеїн-специфічна тРНК (тРНК Sec), яка у хребетних може завантажуватися трьома різними, але спорідненими амінокислотами: серином, селеноцистеїном та фосфосерином.

Деякі археї та бактерії використовують стоп-кодон UAG для 22-ї протеїногенної амінокислоти: піролізину.

Виродження і прощення

Якщо під час трансляції кодон неправильно розшифровується (використовується неправильна амінокислота), структура виробленого білка перестає бути правильною і він більше не функціонує за призначенням. Очевидно, дуже рано в еволюційній історії було корисно, що генетичний код мав певну толерантність до помилок: це те, що відоме як код вироджений Код, це означає, що семантична одиниця кодується кількома різними синтаксичними символами: мінус стоп-кодони, доступні 61 різний кодон, але потрібно кодувати лише 20 амінокислот. Як видно з таблиці вище, для деяких амінокислот використовується кілька кодів. Потім вони, як правило, відрізняються лише однією з трьох основ. (Це дає вам мінімальну відстань у просторі коду, див. Відстань Хеммінга.) Якщо одна з основ читається неправильно, ймовірність того, що правильна амінокислота все-таки буде обрана, все ще становить 60%. Більшість зацікавлених кодонів також відрізняються третьою («хиткою») основою кодону, яка найчастіше неправильно розчитується під час перекладу.

Крім того, амінокислоти, які частіше зустрічаються в білках, ніж інші, мають більше кодонів, що їх кодують.

Примітно, що характер амінокислоти багато в чому визначається середнім положенням триплету:

  • U (РНК)/T (ДНК) - гідрофобна
  • С - полярний до нейтрального
  • A - завантажений
  • G - заряджений, нейтральний до полярного

З цього випливає, що радикальні заміни (обмін на амінокислоти різного характеру) є в першу чергу результатом мутацій у цій другій позиції. Мутації в першій, але особливо в третій позиції ("хитання"), з іншого боку, часто містять амінокислоту або, принаймні, її характер "консервативне заміщення". Якщо також врахувати, що переходи (перетворення пуринів або піримідинів один в одного) відбуваються частіше, ніж перетворення (перетворення пурину в піримідин і навпаки; цей процес, як правило, вимагає дефуринації) з механістичних причин, є додаткове пояснення для консервативного Характер коду.

Походження генетичного коду

Слово "генетичний код" придумав Ервін Шредінгер у своїй книзі "Was ist Leben?" Точне місцезнаходження коду на той час було ще незрозумілим.

Раніше вважали, що генетичний код виник випадково. У 1968 році Френсіс Крик описав це як "заморожений збіг обставин". Однак дослідження 2004 року свідчать про те, що це результат суворої оптимізації з точки зору відмовостійкості. Помилки особливо серйозні для просторової структури білка, якщо гідрофобність неправильно включеної амінокислоти значно відрізняється від вихідної. У контексті статистичного аналізу лише 100 із мільйона випадкових кодів виявляються кращими за реальні. Якщо при розрахунку допуску на помилки враховувати додаткові фактори, які відповідають типовим моделям мутацій та помилок читання, це число навіть зменшується до 1 на 1 мільйон. [1]

Універсальність коду

Основний принцип

Примітно, що генетичний код в принципі однаковий для всіх живих істот за кількома винятками, тобто всі живі істоти використовують одну і ту ж «генетичну мову». Оскільки певний кодон завжди означає одну і ту ж амінокислоту, в генній інженерії можливо, наприклад, переправити ген людського інсуліну в бактерії, щоб вони потім виробляли інсулін. Цей принцип відомий як "універсальність коду". Еволюція може пояснити це таким чином, що генетичний код сформувався дуже рано в історії розвитку життя, а потім передався всім видам, що розвиваються. Таке узагальнення не виключає, що частота різних кодових слів (так зване використання кодону) може відрізнятися між організмами.

Винятки

Є також винятки з універсальності генетичного коду: Наприклад, у мітохондріях (енергоперетворюючі органели клітини), які, імовірно, походять від симбіотичних бактерій (теорія ендосимбіонтів), і які містять власний генетичний матеріал (крім ДНК клітинного ядра), використовує дещо змінену форму коду.

Інфузорії також демонструють відхилення від стандартного коду: UAG, а часто також UAA, код глутаміну; це відхилення виявляється також у деяких зелених водоростей. UGA також іноді означає цистеїн. Інший варіант можна знайти в дріжджах Кандида, де CUG кодує серин.

Є також кілька варіантів амінокислот, що використовуються бактеріями (Бактерії) та археями (Archaea); стоп-кодон UGA може, як описано вище, кодувати селеноцистеїн та UAG пірролізин. Не можна виключати, що існують інші варіанти кодування, які ще не виявлені.

На даний момент відомо 16 відомих відхилень у присвоєнні амінокислоти кодону (основний триплет мРНК) від стандартного коду: