Den genetiske koden, uttrykt i kodoner, er et system for koding av informasjon om strukturen til proteiner, som er iboende i alle levende organismer på planeten. Dekodingen tok et tiår, men det faktum at den eksisterer, har vitenskapen forstått i nesten et århundre. Universalitet, spesifisitet, ensrettethet og spesielt degenerasjonen av den genetiske koden er av stor biologisk betydning.
Oppdagelseshistorikk
Problemet med å kode genetisk informasjon har alltid vært et nøkkelproblem innen biologi. Vitenskapen beveget seg ganske sakte mot matrisestrukturen til den genetiske koden. Siden oppdagelsen av J. Watson og F. Crick i 1953 av den doble spiralstrukturen til DNA, begynte stadiet med å nøste opp selve strukturen til koden, noe som førte til tro på naturens storhet. Den lineære strukturen til proteiner og den samme strukturen til DNA antydet tilstedeværelsen av en genetisk kode som samsvarer med to tekster, men skrevet med forskjellige alfabeter. Og hvisalfabetet av proteiner var kjent, så ble DNA-tegnene gjenstand for studier for biologer, fysikere og matematikere.
Det gir ingen mening å beskrive alle trinnene for å løse denne gåten. Et direkte eksperiment, som beviste og bekreftet at det er en klar og konsistent samsvar mellom DNA-kodoner og proteinaminosyrer, ble utført i 1964 av C. Janowski og S. Brenner. Og så - perioden med å dechiffrere den genetiske koden in vitro (in vitro) ved å bruke teknikkene for proteinsyntese i cellefrie strukturer.
Den fullstendig dechiffrerte E. coli-koden ble offentliggjort i 1966 på et symposium med biologer i Cold Spring Harbor (USA). Da ble redundansen (degenerasjonen) av den genetiske koden oppdaget. Hva dette betyr ble forklart ganske enkelt.
Dekodingen fortsetter
Å skaffe data om dekodingen av arvekoden har blitt en av de viktigste hendelsene i forrige århundre. I dag fortsetter vitenskapen å studere i dybden mekanismene til molekylære kodinger og dens systemiske funksjoner og en overflod av tegn, som uttrykker egenskapen til degenerasjonen av den genetiske koden. En egen studiegren er fremveksten og utviklingen av kodesystemet for arvemateriale. Bevis på forholdet mellom polynukleotider (DNA) og polypeptider (proteiner) ga impulser til utviklingen av molekylærbiologi. Og det i sin tur til bioteknologi, bioteknologi, funn innen utvalg og planteproduksjon.
Dogmer og regler
Hoveddogmet innen molekylærbiologi - informasjon overføres fra DNA til informasjonRNA, og deretter fra det til protein. I motsatt retning er overføring mulig fra RNA til DNA og fra RNA til et annet RNA.
Men matrisen eller grunnlaget er alltid DNA. Og alle de andre grunnleggende trekk ved overføring av informasjon er en refleksjon av denne matrisenaturen til overføringen. Nemlig overføring ved syntese på matrisen av andre molekyler, som vil bli strukturen for reproduksjonen av arvelig informasjon.
Genetisk kode
Lineær koding av strukturen til proteinmolekyler utføres ved bruk av komplementære kodoner (tripletter) av nukleotider, hvorav det kun er 4 (adein, guanin, cytosin, tymin (uracil)), som spontant fører til dannelsen av en annen kjede av nukleotider. Det samme antallet og kjemiske komplementariteten til nukleotider er hovedbetingelsen for en slik syntese. Men under dannelsen av et proteinmolekyl er det ingen samsvar mellom mengde og kvalitet av monomerer (DNA-nukleotider er proteinaminosyrer). Dette er den naturlige arvelige koden - et system for å registrere i sekvensen av nukleotider (kodoner) sekvensen av aminosyrer i et protein.
Den genetiske koden har flere egenskaper:
- Tripleity.
- Uniqueness.
- Orientering.
- Ikke-overlappende.
- Redundans (degenerasjon) av den genetiske koden.
- Allsidighet.
La oss gi en kort beskrivelse, med fokus på den biologiske betydningen.
Trippelitet, kontinuitet og stopplys
Hver av de 61 aminosyrene tilsvarer én semantisk triplett (trippel) av nukleotider. Tre trillinger har ikke informasjon om aminosyren og er stoppkodoner. Hvert nukleotid i kjeden er en del av en triplett, og eksisterer ikke alene. På slutten og i begynnelsen av kjeden av nukleotider som er ansvarlige for ett protein, er det stoppkodoner. De starter eller stopper oversettelse (syntesen av et proteinmolekyl).
Spesifikt, ikke-overlappende og ensrettet
Hvert kodon (triplett) koder for kun én aminosyre. Hver triplett er uavhengig av naboen og overlapper ikke. Ett nukleotid kan inkluderes i bare en triplett i kjeden. Proteinsyntese går alltid bare i én retning, som reguleres av stoppkodoner.
Redundanser av den genetiske koden
Hver triplett av nukleotider koder for én aminosyre. Det er tot alt 64 nukleotider, hvorav 61 koder for aminosyrer (sansekodoner), og tre er meningsløse, det vil si at de ikke koder for en aminosyre (stoppkodoner). Redundansen (degenerasjonen) av den genetiske koden ligger i det faktum at det i hver triplett kan gjøres substitusjoner - radikale (fører til aminosyreerstatning) og konservative (ikke endre aminosyreklassen). Det er lett å beregne at hvis 9 substitusjoner kan gjøres i en triplett (posisjon 1, 2 og 3), kan hvert nukleotid erstattes med 4 - 1=3 andre alternativer, så vil det totale antallet mulige nukleotidsubstitusjons alternativer være 61 x 9=549.
Degenerasjonen av den genetiske koden viser seg i det faktum at 549 varianter er mye mer ennnødvendig for å kode informasjon om 21 aminosyrer. Samtidig vil 23 substitusjoner av 549 varianter føre til dannelse av stoppkodoner, 134 + 230 substitusjoner er konservative og 162 substitusjoner er radikale.
Regelen for degenerasjon og ekskludering
Hvis to kodoner har to identiske første nukleotider, og resten er nukleotider av samme klasse (purin eller pyrimidin), så bærer de informasjon om samme aminosyre. Dette er regelen for degenerasjon eller redundans av den genetiske koden. To unntak - AUA og UGA - det første koder for metionin, selv om det skal være isoleucin, og det andre er et stoppkodon, selv om det skal kode for tryptofan.
Betydningen av degenerasjon og universalitet
Det er disse to egenskapene til den genetiske koden som har størst biologisk betydning. Alle egenskapene som er oppført ovenfor er karakteristiske for arvelig informasjon om alle former for levende organismer på planeten vår.
Degenerasjonen av den genetiske koden har en adaptiv verdi, som multiple duplisering av koden til én aminosyre. I tillegg betyr dette en reduksjon i signifikansen (degenerasjonen) av det tredje nukleotidet i kodonet. Dette alternativet minimerer mutasjonsskade i DNA, noe som vil føre til grove brudd på proteinstrukturen. Dette er forsvarsmekanismen til de levende organismene på planeten.
