Codul genetic are proprietăți. Proprietățile de bază ale codului genetic și semnificația lor

Conducere Revista de Știință Natură a raportat descoperirea unei secunde cod genetic- un fel de „cod într-un cod” care a fost spart recent de biologi moleculari și programatori de computere. Mai mult, pentru a-l identifica, nu au folosit teoria evoluționistă, ci tehnologia informației.

Noul cod se numește Codul de îmbinare. Se află în interiorul ADN-ului. Acest cod controlează codul genetic de bază într-un mod foarte complex, dar previzibil. Codul de îmbinare controlează cum și când sunt asamblate genele și elementele de reglementare. Dezvăluirea acestui cod într-un cod ajută la luminarea unora dintre misterele de lungă durată ale geneticii care au apărut de la Proiectul Secvenței Genomului Uman. Unul dintre aceste mistere a fost de ce într-un organism atât de complex ca uman există doar 20.000 de gene? (Oamenii de știință se așteptau să găsească mult mai multe.) De ce genele sunt împărțite în segmente (exoni), care sunt separate de elemente necodificatoare (introni) și apoi unite împreună (adică, îmbinate) după transcriere? Și de ce se activează genele în unele celule și țesuturi, dar nu în altele? De două decenii biologi moleculari a încercat să descopere mecanismele de reglare genetică. Acest articol subliniază foarte punct importantîn înțelegerea a ceea ce se întâmplă cu adevărat. Nu răspunde la toate întrebările, dar demonstrează că codul intern există. Acest cod este un sistem de transmitere a informațiilor care poate fi descifrat atât de clar încât oamenii de știință ar putea prezice cum s-ar putea comporta genomul în anumite situații și cu o precizie inexplicabilă.

Imaginează-ți că auzi o orchestră în camera alăturată. Deschizi ușa, te uiți înăuntru și vezi trei sau patru muzicieni în cameră cântând instrumente muzicale. Acesta este ceea ce Brandon Frey, care a ajutat la spargerea codului, spune că arată genomul uman. El spune: „Am putut detecta doar 20.000 de gene, dar știam că acestea constituiau un număr mare de produse proteice și elemente de reglementare. Cum? O metodă se numește îmbinare alternativă.”. Diferiți exoni (părți ale genelor) pot fi asamblați în moduri diferite. „De exemplu, trei gene pentru proteina neurexină pot crea mai mult de 3.000 de mesaje genetice care ajută la controlul cablajului creierului.”, spune Frey. Articolul spune, de asemenea, că oamenii de știință știu că 95% dintre genele noastre sunt îmbinate alternativ și, în majoritatea cazurilor, transcrierile (moleculele de ARN formate ca urmare a transcripției) sunt exprimate diferit în diferite tipuri de celule și țesuturi. Trebuie să existe ceva care să controleze modul în care aceste mii de combinații sunt asamblate și exprimate. Aceasta este sarcina Codului de îmbinare.

Cititorii care doresc o privire de ansamblu rapidă asupra descoperirii pot citi articolul la adresa Science Daily intitulat „Cercetătorii care au spart „codul de îmbinare” descoperă misterul din spatele complexității biologice”. Articolul spune: „Oamenii de știință de la Universitatea din Toronto au obținut noi perspective fundamentale asupra modului în care celulele vii folosesc un număr limitat de gene pentru a forma organe incredibil de complexe precum creierul.”. Natura în sine începe cu un articol al lui Heidi Ledford, „Cod Within Code”. Acesta a fost urmat de o lucrare a lui Tejedor și Valcárcel intitulată „Regularea genelor: desfacerea celui de-al doilea cod genetic. În cele din urmă, clincher a fost o lucrare a unei echipe de cercetători de la Universitatea din Toronto condusă de Benjamin D. Blencowe și Brandon D. Frey, „Cracking the Splicing Code”.

Acest articol este o victorie pentru știința informației, care ne amintește de spărgătorii de coduri din cel de-al Doilea Război Mondial. Metodele lor au inclus algebra, geometria, teoria probabilității, calculul vectorial, teoria informațiilor, optimizarea codului de program și alte tehnici avansate. Ceea ce nu aveau nevoie era teoria evoluționistă, care nu a fost niciodată menționat în articolele științifice. Citind acest articol, puteți vedea cât de mult stres se află autorii acestei uverturi:

„Descriem o schemă de „cod de îmbinare” care utilizează combinații de sute de proprietăți ARN pentru a prezice schimbările specifice țesuturilor în îmbinarea alternativă a mii de exoni. Codul stabilește noi clase de modele de îmbinare, recunoaște diferite programe de reglementare în diferite țesuturi și stabilește secvențe de reglementare controlate de mutații. Am descoperit strategii de reglementare larg răspândite, inclusiv: utilizarea unor fonduri de proprietate neașteptat de mari; identificarea nivelurilor scăzute de incluziune a exonilor care sunt atenuate de proprietățile țesuturilor specifice; manifestarea proprietăților în introni este mai profundă decât se credea anterior; și modularea nivelurilor variantelor de îmbinare caracteristici structurale transcriere. Codul a ajutat la identificarea unei clase de exoni a căror includere reduce expresia în țesuturile adulte prin activarea degradării ARNm și a căror excludere promovează exprimarea în timpul embriogenezei. Codul îl face ușor de deschis și descriere detaliata evenimente de splicing alternative reglementate la nivelul întregului genom.”

Echipa care a spart codul a inclus specialiști de la Departamentul de Inginerie Electronică și Calculatoare, precum și de la Departamentul de Genetică Moleculară. (Frey însuși lucrează pentru o divizie a Microsoft Corporation, Microsoft Research) La fel ca spărgătorii de coduri de altădată, Frey și Barash au dezvoltat „o nouă metodă de analiză biologică asistată de computer care detectează „cuvinte cod” ascunse în genom”. Folosind cantități masive de date generate de geneticieni moleculari, o echipă de cercetători a realizat inginerie inversă a codului de îmbinare. până când nu puteau prezice cum avea să acţioneze. Odată ce cercetătorii și-au dat seama, au testat codul împotriva mutațiilor și au văzut cum au fost introduși sau șterși exonii. Ei au descoperit că codul poate provoca chiar modificări specifice țesuturilor sau poate acționa diferit, în funcție de faptul că șoarecele era un adult sau un embrion. O genă, Xpo4, este asociată cu cancerul; Cercetătorii au remarcat: „Aceste date susțin concluzia că expresia genei Xpo4 trebuie controlată strict pentru a evita posibile consecințe dăunătoare, inclusiv tumorigeneză (cancer), deoarece este activă în timpul embriogenezei, dar este redusă din abundență în țesuturile adulte. Se pare că au fost absolut surprinși de nivelul de control pe care l-au văzut. Intenționat sau nu, Frey a folosit limbajul designului inteligent mai degrabă decât variația și selecția aleatoare ca un indiciu. El a notat: „Înțelegerea complexului sistem biologic ca și înțelegerea unui circuit electronic complex.”

Heidi Ledford a spus că aparenta simplitate a codului genetic Watson-Crick, cu cele patru baze, codoni tripleți, 20 de aminoacizi și 64 de „caractere” ADN - ascunde o lume întreagă de complexitate dedesubt. Inclus în acest cod mai simplu, codul de îmbinare este mult mai complex.

Dar între ADN și proteine ​​se află ARN, o lume a complexității în sine. ARN-ul este un transformator care uneori poartă mesaje genetice și uneori le controlează, implicând multe structuri care îi pot influența funcția. Într-o lucrare publicată în același număr, o echipă de cercetători condusă de Benjamin D. Blencowe și Brandon D. Frey de la Universitatea Toronto din Ontario, Canada, raportează eforturile de a dezlega un al doilea cod genetic care poate prezice modul în care segmentele de ARN mesager transcris dintr-o genă specifică, se poate amesteca și se potrivește pentru a forma o varietate de produse în diferite țesuturi. Acest proces este cunoscut sub numele de îmbinare alternativă. De data aceasta nu există un tabel simplu - în schimb există algoritmi care combină mai mult de 200 proprietăți diverse ADN cu definiții ale structurii ARN.

Munca acestor cercetători indică progresul rapid pe care l-au făcut metodele de calcul în asamblarea unui model de ARN. Pe lângă înțelegerea splicing-ului alternativ, informatica îi ajută pe oamenii de știință să prezică structurile ARN și să identifice mici bucăți de reglementare de ARN care nu codifică proteine. „Este un moment minunat”„, spune Christopher Berg, un biolog computațional la Institutul de tehnologie din Massachusetts tehnologie la Cambridge. „Vom avea mare succes în viitor”.

Informatică, biologie computațională, algoritmi și coduri - aceste concepte nu făceau parte din vocabularul lui Darwin atunci când și-a dezvoltat teoria. Mendel a avut un model foarte simplificat al modului în care trăsăturile sunt distribuite în timpul moștenirii. În plus, ideea că caracteristicile sunt codificate a fost introdusă abia în 1953. Vedem că codul genetic original este reglementat de un cod și mai complex inclus în el. Acestea sunt idei revoluționare. Mai mult, există toate semnele că acest nivel de control nu este ultimul. Ledford ne amintește că ARN-ul și proteinele, de exemplu, au o structură tridimensională. Funcțiile moleculelor se pot schimba atunci când forma lor se schimbă.Trebuie să existe ceva care să controleze plierea, astfel încât structura tridimensională să facă ceea ce funcția cere. În plus, accesul la gene pare a fi controlat alt cod, cod histon. Acest cod este codificat de markeri moleculari sau „cozi” de pe proteinele histonelor care servesc drept centre pentru răsucirea și supraînfăşurarea ADN-ului. Descriind vremurile noastre, Ledford vorbește despre „Renaștere continuă în informatica ARN”.

Tejedor și Valcárcel sunt de acord că în spatele simplității se află complexitatea. „Conceptul este foarte simplu: ADN-ul produce ARN, care apoi produce proteine.”, - își încep articolul. „Dar în realitate totul este mult mai complicat”. În anii 1950, am aflat că toate organismele vii, de la bacterii la oameni, au un cod genetic de bază. Dar curând ne-am dat seama de asta organisme complexe(eucariotele) au unele proprietăți nenaturale și greu de înțeles: genomul lor are secțiuni speciale, introni, care trebuie îndepărtați pentru ca exonii să se poată uni. De ce? Astăzi se limpezește ceața: „Principalul avantaj al acestui mecanism este că permite diferitelor celule să selecteze moduri alternative despicarea ARN-ului mesager precursor (pre-ARNm) și astfel o genă formează mesaje diferite.- explică ei, - „și apoi ARNm-uri diferite pot codifica proteine ​​diferite cu funcții diferite”. Obțineți mai multe informații din mai puțin cod, cu condiția să existe un alt cod în interiorul codului care știe cum să o facă.

Ceea ce face ca ruperea codului de îmbinare să fie atât de dificilă este faptul că factorii care controlează ansamblul exonilor sunt stabiliți de mulți alți factori: secvențe situate în apropierea limitelor exonilor, secvențe de intron și factori de reglementare care fie ajută, fie inhibă mașina de îmbinare. In afara de asta, „efectele unei anumite secvențe sau factor pot varia în funcție de locația sa în raport cu granițele intron-exon sau alte motive de reglementare”, explică Tejedor și Valcárcel. „Prin urmare, cea mai mare provocare în prezicerea îmbinării specifice țesutului este calcularea algebrei nenumăratelor motive și a relațiilor dintre factorii de reglementare care le recunosc.”.

Pentru a rezolva această problemă, o echipă de cercetători a introdus într-un computer o cantitate imensă de date despre secvențele de ARN și condițiile în care acestea au fost formate. „Computerul a fost apoi însărcinat să identifice combinația de proprietăți care ar explica cel mai bine selecția de exoni specifică țesutului stabilită experimental.”. Cu alte cuvinte, cercetătorii au realizat inginerie inversă a codului. La fel ca spărgătorii de coduri din cel de-al Doilea Război Mondial, odată ce oamenii de știință cunosc algoritmul, ei pot face predicții: „A identificat corect și precis exonii alternativi și a prezis reglarea lor diferențială între perechile de tipuri de țesuturi”. Și la fel ca orice teorie științifică bună, descoperirea a oferit o nouă perspectivă: „Acest lucru ne-a permis să oferim o nouă perspectivă asupra motivelor de reglementare identificate anterior și a indicat proprietățile necunoscute anterior ale regulatorilor cunoscuți, precum și conexiuni funcționale neașteptate între ei.”, au remarcat cercetătorii. „De exemplu, codul implică faptul că includerea exonilor care conduc la proteine ​​procesate este un mecanism general de control al procesului de exprimare a genelor în timpul tranziției de la țesutul embrionar la țesutul adult.”.

Tejedor și Valcárcel consideră publicarea lucrării lor un prim pas important: „Lucrarea... este mai bine privită ca fiind descoperirea primului fragment al unei pietre Rosetta mult mai mari necesare pentru a descifra mesajele alternative ale genomului nostru.” Potrivit acestor oameni de știință, cercetările viitoare le vor îmbunătăți, fără îndoială, cunoștințele despre acest nou cod. La încheierea articolului lor, ei menționează pe scurt evoluția și o fac într-un mod foarte neobișnuit. Ei spun: „Nu înseamnă că evoluția a creat aceste coduri. Aceasta înseamnă că progresul va necesita înțelegerea modului în care codurile interacționează. O altă surpriză a fost că gradul de conservare observat până în prezent ridică problema existenței posibile a „codurilor specifice speciei”..

Codul funcționează probabil în fiecare celulă și, prin urmare, trebuie să fie responsabil pentru mai mult de 200 de tipuri de celule de mamifere. De asemenea, trebuie să facă față unei varietăți uriașe de modele alternative de îmbinare, ca să nu mai vorbim solutii simple despre includerea sau omisiunea unui exon separat. Conservarea evolutivă limitată a reglementării alternative de îmbinare (estimată a fi de aproximativ 20% între oameni și șoareci) ridică problema existenței codurilor specifice speciei. Mai mult, cuplarea dintre procesarea ADN-ului și transcripția genelor influențează splicing-ul alternativ, iar dovezile recente indică ambalarea ADN-ului de către proteinele histonelor și modificări covalente ale histonelor (așa-numitul cod epigenetic) în reglarea splicing-ului. Prin urmare, metodele viitoare vor trebui să stabilească interacțiunea precisă dintre codul histonelor și codul de îmbinare. Același lucru este valabil și pentru influența încă puțin înțeleasă a structurilor complexe de ARN asupra îmbinării alternative.

Coduri, coduri și mai multe coduri. Faptul că oamenii de știință nu spun practic nimic despre darwinism în aceste articole indică faptul că teoreticienii evoluționisti care aderă la idei și tradiții vechi au multe de gândit după ce citesc aceste articole. Dar cei care sunt entuziasmați de biologia codurilor se vor găsi în prim-plan. Ei au o mare oportunitate de a profita de aplicația web interesantă pe care au creat-o codebreakers pentru a încuraja cercetările ulterioare. Acesta poate fi găsit pe site-ul web al Universității din Toronto numit site-ul Alternative Splicing Prediction. Vizitatorii vor căuta în zadar orice mențiune despre evoluție aici, în ciuda vechii axiome că nimic în biologie nu are sens fără ea. O noua versiune Această expresie din 2010 ar putea suna astfel: „Nimic în biologie nu are sens decât dacă este privit în lumina informaticii.” .

Legături și note

Ne bucurăm că am putut să vă spunem despre această poveste în ziua în care a fost publicată. Acesta poate fi unul dintre cele mai importante articole științifice ale anului. (Desigur, fiecare mare descoperire, realizat de alte grupuri de oameni de știință, cum ar fi descoperirea lui Watson și Crick.) Singurul lucru pe care îl putem spune la aceasta este: „Wow!” Această descoperire este o confirmare remarcabilă a Creației prin design și o provocare uriașă pentru imperiul darwinian. Mă întreb cum vor încerca evoluționistii să-și corecteze povestea simplistă a mutațiilor aleatorii și a selecției naturale, care datează din secolul al XIX-lea, în lumina acestor noi date.

Înțelegi despre ce vorbesc Tejedor și Valcárcel? Speciile pot avea propriul cod, unic pentru acele specii. „Deci va depinde de metodele viitoare să stabilească interacțiunea precisă între codul [epigenetic] al histonei și codul de îmbinare”, notează ei. Tradus, asta înseamnă: „Darwiniștii nu au nimic de-a face cu asta. Pur și simplu nu se pot descurca.” Dacă codul genetic simplu Watson-Crick ar fi o problemă pentru darwinieni, ce ar spune ei acum despre un cod de îmbinare care creează mii de transcrieri din aceleași gene? Cum fac față codului epigenetic care controlează expresia genelor? Și cine știe, poate în această „interacțiune” incredibilă, despre care abia începem să aflăm, sunt implicate și alte coduri, care amintesc de Piatra Rosetta, abia încep să iasă din nisip?

Acum, când ne gândim la coduri și informatică, începem să ne gândim la diferite paradigme pentru noi cercetări. Ce se întâmplă dacă genomul acționează parțial ca o rețea de stocare? Ce se întâmplă dacă implică criptografie sau algoritmi de compresie? Ar trebui să ne amintim despre sistemele informaționale moderne și tehnologiile de stocare a informațiilor. Putem descoperi chiar elemente de steganografie. Există, fără îndoială, mecanisme suplimentare de rezistență, cum ar fi dublările și corecțiile, care pot ajuta la explicarea existenței pseudogenelor. Copiile întregului genom pot fi un răspuns la stres. Unele dintre aceste fenomene pot fi indicatori utili evenimente istorice, care nu au nimic de-a face cu un strămoș comun universal, dar ajută la explorarea genomica comparativă în cadrul informaticii și proiectării rezistenței și ajută la înțelegerea cauzei bolii.

Evoluţioniştii se află într-o mare dificultate. Cercetătorii au încercat să modifice codul, dar tot ce au obținut a fost cancer și mutații. Cum vor naviga în domeniul fitness-ului dacă totul este minat de dezastre care așteaptă să se întâmple de îndată ce cineva începe să interfereze cu aceste coduri indisolubil legate? Știm că există o anumită rezistență și portabilitate încorporate, dar întreaga imagine este incredibil de complexă, proiectată, optimizată Sistem informatic, și nu o combinație aleatorie de părți cu care se poate juca la nesfârșit. Întreaga idee de cod este conceptul de design inteligent.

A. E. Wilder-Smith a dat asta sens special. Codul presupune un acord între cele două părți. Un acord este un acord în avans. Ea implică planificare și scop. Folosim simbolul SOS, așa cum ar spune Wilder-Smith, prin convenție ca semnal de primejdie. SOS nu arată ca un dezastru. Nu miroase a dezastru. Nu se simte ca un dezastru. Oamenii nu ar înțelege că aceste scrisori reprezintă un dezastru dacă nu ar înțelege esența acordului în sine. Intr-un mod similar, codon pentru alanina, HCC, nu arată, nu miroase și nu se simte ca alanina. Codonul nu ar avea nimic de-a face cu alanina dacă nu ar exista un acord prestabilit între cele două sisteme de codare (codul proteinelor și codul ADN) că „GCC trebuie să însemne alanină”. Pentru a transmite acest acord, se utilizează o familie de traductoare, aminoacil-ARNt sintetaze, care traduc un cod în altul.

Aceasta a fost pentru a consolida teoria designului în anii 1950 și mulți creaționiști au predicat-o în mod eficient. Dar evoluţioniştii sunt ca nişte vânzători liniştiţi. Ei și-au creat basmele despre Tinkerbell, care rupe codul și creează noi specii prin mutație și selecție și au convins mulți oameni că miracolele se pot întâmpla și astăzi. Ei bine, astăzi suntem în secolul 21 și cunoaștem codul epigenetic și codul de îmbinare - două coduri care sunt mult mai complexe și mai dinamice decât codul ADN simplu. Știm despre codurile din cadrul codurilor, despre codurile de deasupra codurilor și de sub codurile - cunoaștem o întreagă ierarhie de coduri. De data aceasta, evoluționistii nu pot pur și simplu să-și bage degetul în pistol și să ne blufeze cu discursurile lor frumoase, când de ambele părți sunt pistoale - un întreg arsenal care vizează principalele lor elemente de design. Totul este un joc. În jurul lor a crescut o întreagă eră a informaticii, au demodat de mult și arată ca grecii care încearcă să urce cu sulițe tancurile și elicopterele moderne.

Este trist de spus, dar evoluționiștii nu înțeleg asta, sau chiar dacă o înțeleg, nu vor renunța. Apropo, săptămâna aceasta, exact când a fost publicat articolul despre Codul de îmbinare, din paginile revistelor și ziarelor pro-Darwin s-a revărsat cea mai furioasă și plină de ură retorică împotriva creaționismului și designului inteligent din amintirea recentă. Încă nu auzim de multe alte exemple similare. Și atâta timp cât țin microfoanele și controlează instituțiile, mulți oameni vor cădea în momeală, gândindu-se că știința continuă să le dea motive întemeiate. Vă spunem toate acestea astfel încât să citiți acest material, să îl studiați, să îl înțelegeți și să vă echipați cu informațiile de care aveți nevoie pentru a învinge această prostie bigot, înșelătoare cu adevărul. Acum, mergeți înainte!

Seria de articole care descriu originile Codului civil poate fi tratată ca o anchetă asupra unor evenimente despre care ne-au rămas multe urme. Cu toate acestea, înțelegerea acestor articole necesită un efort pentru a înțelege mecanismele moleculare ale sintezei proteinelor. Acest articol este cel introductiv pentru o serie de auto-publicații dedicate originii codului genetic și este cel mai bun loc pentru a începe să vă familiarizați cu acest subiect.
De obicei cod genetic(GC) este definită ca o metodă (regulă) pentru codificarea unei proteine ​​pe structura primară a ADN-ului sau ARN-ului. În literatură, cel mai adesea este scris că aceasta este o corespondență unică a unei secvențe de trei nucleotide dintr-o genă cu un aminoacid dintr-o proteină sintetizată sau punctul final al sintezei proteinelor. Cu toate acestea, există două erori în această definiție. Aceasta se referă la 20 de așa-numiți aminoacizi canonici, care fac parte din proteinele tuturor organismelor vii fără excepție. Acești aminoacizi sunt monomeri proteici. Erorile sunt următoarele:

1) Nu există 20 de aminoacizi canonici, ci doar 19. Putem numi un aminoacid o substanță care conține simultan o grupare amino -NH 2 și o grupare carboxil - COOH. Faptul este că monomerul proteic - prolina - nu este un aminoacid, deoarece conține o grupare imino în loc de o grupare amino, de aceea este mai corect să numim prolina un iminoacid. Cu toate acestea, în viitor, în toate articolele dedicate HA, pentru comoditate, voi scrie aproximativ 20 de aminoacizi, implicând nuanța specificată. Structurile aminoacizilor sunt prezentate în Fig. 1.

Orez. 1. Structuri ale aminoacizilor canonici. Aminoacizii au părți constante, indicate cu negru în figură, și părți variabile (sau radicali), indicate cu roșu.

2) Corespondența aminoacizilor cu codonii nu este întotdeauna clară. Pentru încălcarea cazurilor de lipsă de ambiguitate, a se vedea mai jos.

Apariția GC înseamnă apariția sintezei proteinelor codificate. Acest eveniment este unul dintre evenimentele cheie pentru formarea evolutivă a primelor organisme vii.

Structura HA este prezentată într-o formă circulară în Fig. 2.

Orez. 2. Cod geneticîntr-o formă circulară. Cercul interior este prima literă a codonului, a doua cerc - a doua literă a codonului, al treilea cerc - a treia literă a codonului, al patrulea cerc - desemnarea aminoacizilor într-o abreviere de trei litere; P - aminoacizi polari, NP - aminoacizi nepolari. Pentru claritatea simetriei, ordinea aleasă a simbolurilor este importantă U - C - A - G .

Deci, să începem să descriem principalele proprietăți ale HA.

1. Tripletate. Fiecare aminoacid este codificat de o secvență de trei nucleotide.

2. Prezența semnelor de punctuație intergenice. Semnele de punctuație intergenice includ secvențe de acid nucleic la care începe sau se termină translația.

Traducerea nu poate începe de la niciun codon, ci doar de la unul strict definit - pornire. Codonul de început include tripletul AUG, de la care începe traducerea. În acest caz, acest triplet codifică fie metionina, fie un alt aminoacid - formilmetionina (la procariote), care poate fi inclus doar la începutul sintezei proteinelor. La sfârșitul fiecărei gene care codifică o polipeptidă există cel puțin una din 3 codoni de oprire, sau lumini de frână: UAA, UAG, UGA. Ele termină translația (așa-numita sinteză a proteinelor pe ribozom).

3. Compactitate sau absența semnelor de punctuație intragenice.În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon semnificativ.

4. Nesuprapunere. Codonii nu se suprapun între ei; fiecare are propriul său set ordonat de nucleotide, care nu se suprapun cu seturi similare de codoni vecini.

5. Degenerare. Corespondența inversă în direcția aminoacid-codon este ambiguă. Această proprietate se numește degenerare. Serie este un set de codoni care codifică un aminoacid, cu alte cuvinte, este un grup codoni echivalenti. Să ne gândim la un codon ca XYZ. Dacă XY specifică „sensul” (adică un aminoacid), atunci codonul se numește puternic. Dacă, pentru a determina semnificația unui codon, este nevoie de un anumit Z, atunci se numește un astfel de codon slab.

Degenerarea codului este strâns legată de ambiguitatea împerecherii codon-anticodon (un anticodon înseamnă o secvență de trei nucleotide pe ARNt, care se pot împerechea în mod complementar cu un codon pe ARN mesager (a se vedea două articole pentru mai multe detalii despre aceasta: Mecanisme moleculare pentru asigurarea degenerării coduluiȘi regula lui Lagerquist. Justificarea fizico-chimică a simetriilor și relațiilor lui Rumer). Un anticodon pe un ARNt poate recunoaște unul până la trei codoni pe un ARNm.

6.Neambiguitate. Fiecare triplet codifică doar un aminoacid sau este un terminator de translație.

Există trei excepții cunoscute.

Primul. La procariote, în prima poziție (litera majusculă), codifică formilmetionina, iar în orice altă poziție, metionina.La începutul genei, formilmetionina este codificată atât de codonul obișnuit de metionină AUG, cât și de codonul de valină GUG sau leucină UUG , care în cadrul genei codifică valină și, respectiv, leucină.

În multe proteine, formilmetionina este scindată sau gruparea formil este îndepărtată, ceea ce duce la transformarea formilmetioninei în metionină obișnuită.

Al doilea. În 1986, mai multe grupuri de cercetători au descoperit că codonul stop UGA de pe ARNm poate codifica selenocisteina (vezi Fig. 3), cu condiția ca acesta să fie urmat de o secvență specială de nucleotide.

Orez. 3. Structura celui de-al 21-lea aminoacid - selenocisteina.

U E coli(acesta este numele latin pentru Escherichia coli) selenocysteyl-ARNt în timpul translației recunoaște codonul UGA în ARNm, dar numai într-un anumit context: pentru ca codonul UGA să fie recunoscut ca semnificativ, o secvență de 45 de nucleotide în lungime situată după UGA codonul este important.

Exemplul luat în considerare arată că, dacă este necesar, un organism viu poate schimba semnificația codului genetic standard. În acest caz, informația genetică conținută în gene este codificată într-un mod mai complex. Semnificația unui codon este determinată în contextul unei secvențe de nucleotide extinse specifice și cu participarea mai multor factori proteici foarte specifici. Este important ca ARNt-ul selenocisteinei să fie găsit în reprezentanții tuturor celor trei ramuri ale vieții (arheea, eubacterii și eucariote), ceea ce indică originea antică a sintezei selenocisteinei și posibila prezență a acesteia chiar și în ultimul universal. strămoș comun(asta va fi discutat în alte articole). Cel mai probabil, selenocisteina se găsește în toate organismele vii fără excepție. Dar în orice organism dat, selenocisteina se găsește în nu mai mult de zeci de proteine. Face parte din centrii activi ai enzimelor, într-un număr de omologi ai cărora cisteina obișnuită poate funcționa într-o poziție similară.

Până de curând, se credea că codonul UGA poate fi citit fie ca selenocisteină, fie ca terminal, dar recent s-a demonstrat că în ciliați Euplotes Codonul UGA codifică fie cisteină, fie selenocisteină. Cm. " Cod genetic permite discrepanțe"

A treia excepție. Unele procariote (5 specii de arhei și o eubacterie - informațiile de pe Wikipedia sunt foarte depășite) conțin un acid special - pirolizina (Fig. 4). Este codificat de tripletul UAG, care în codul canonic servește ca un terminator de traducere. Se presupune că în acest caz, similar cu cazul codificării selenocisteinei, citirea UAG ca codon pirolizină are loc datorită unei structuri speciale pe ARNm. ARNt de pirolizină conține anticodonul CTA și este aminoacilat de către ARSazele de clasa 2 (pentru clasificarea ARSazelor, vezi articolul „Codazele ajută la înțelegerea modului în care cod genetic ").

UAG este rareori folosit ca un codon stop, iar atunci când este utilizat, este adesea urmat de un alt codon stop.

Orez. 4. Structura celui de-al 22-lea aminoacid al pirolizinei.

7. Versatilitate. După ce descifrarea Codului civil a fost finalizată la mijlocul anilor 60 ai secolului trecut, s-a crezut multă vreme că codul este același în toate organismele, ceea ce indică unitatea de origine a întregii vieți de pe Pământ.

Să încercăm să înțelegem de ce Codul civil este universal. Faptul este că, dacă cel puțin o regulă de codare s-ar schimba în organism, aceasta ar duce la o modificare a structurii unei părți semnificative a proteinelor. O astfel de schimbare ar fi prea drastică și, prin urmare, aproape întotdeauna letală, deoarece o schimbare a semnificației unui singur codon poate afecta în medie 1/64 din toate secvențele de aminoacizi.

Acest lucru duce la o idee foarte importantă: GC nu s-a schimbat cu greu de la formarea sa, acum mai bine de 3,5 miliarde de ani. Aceasta înseamnă că structura sa poartă o urmă a originii sale, iar analiza acestei structuri poate ajuta la înțelegerea exactă a modului în care ar fi putut apărea GC.

De fapt, HA poate diferi oarecum în bacterii, mitocondrii, codul nuclear al unor ciliați și drojdie. În prezent, există cel puțin 17 coduri genetice care diferă de cel canonic cu 1-5 codoni.În total, în toate variantele cunoscute de abateri de la GK universal, sunt utilizate 18 substituții diferite ale semnificației unui codon. Cele mai multe abateri de la codul standard sunt cunoscute pentru mitocondrii - 10. Este de remarcat faptul că mitocondriile vertebrate, viermi plati, echinodermele, sunt codificate prin diferite coduri, iar ciupercile de mucegai, protozoarele și celenterate - câte unul.

Apropierea evolutivă a speciilor nu garantează deloc că au GC similare. Codurile genetice pot varia chiar și între tipuri diferite micoplasme (unele specii au un cod canonic, în timp ce altele au unul diferit). O situație similară se observă pentru drojdie.

Este important de menționat că mitocondriile sunt descendenți ai organismelor simbiotice care s-au adaptat să trăiască în interiorul celulelor. Au un genom foarte redus; unele gene s-au mutat în nucleul celulei. Prin urmare, modificările HA din ele nu mai sunt atât de dramatice.

Excepțiile descoperite ulterior reprezintă interes special din punct de vedere evolutiv, din moment ce pot ajuta la luminarea mecanismelor evoluției codului.

Tabelul 1.

Codurile mitocondriale în diferite organisme.

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

Trei mecanisme de schimbare a aminoacidului codificat de cod.

Primul este atunci când un anumit codon nu este folosit (sau aproape nu este utilizat) de către un organism din cauza apariției inegale a unor nucleotide (compoziție GC) sau combinații de nucleotide. Ca rezultat, un astfel de codon poate dispărea complet din utilizare (de exemplu, din cauza pierderii ARNt-ului corespunzător) și poate fi folosit ulterior pentru a codifica un alt aminoacid fără a provoca daune semnificative organismului. Acest mecanism poate fi responsabil pentru apariția unor dialecte cod în mitocondrii.

Al doilea este transformarea codonului stop în sensul ovulelor. În acest caz, unele dintre proteinele traduse pot avea adaosuri. Cu toate acestea, situația este parțial salvată de faptul că multe gene se termină adesea cu nu unul, ci doi codoni stop, deoarece sunt posibile erori de traducere, în care codonii stop sunt citiți ca aminoacizi.

A treia este o posibilă citire ambiguă a anumitor codoni, așa cum este cazul unor ciuperci.

8 . Conectivitate. Sunt numite grupuri de codoni echivalenți (adică codoni care codifică același aminoacid). în serie. GC conține 21 de serii, inclusiv codoni stop. În cele ce urmează, pentru certitudine, va fi numit orice grup de codoni legătură, dacă din fiecare codon al acestui grup se poate trece la toți ceilalți codoni ai aceleiași grupe prin substituții succesive de nucleotide. Din cele 21 de serii, sunt conectate 18. 2 serii conțin câte un codon fiecare și doar 1 serie pentru aminoacidul serină este neconectată și se împarte în două subseri conectate.

Orez. 5. Grafice de conectivitate pentru unele serii de coduri. a - serie conectată de valine; b - seria conexă de leucină; Seria serină este incoerentă și se împarte în două subseri conectate. Cifra este preluată din articolul lui V.A. Ratner" Cod genetic ca un sistem”.

Proprietatea de conectivitate poate fi explicată prin faptul că în perioada de formare GC a capturat noi codoni, care erau minim diferiți de cei deja utilizați.

9. Regularitate proprietățile aminoacizilor bazate pe rădăcinile tripleților. Toți aminoacizii codificați de tripleții rădăcinii U sunt nepolari, nu au proprietăți și dimensiuni extreme și au radicali alifatici. Toate tripletele cu rădăcina C au baze puternice, iar aminoacizii pe care îi codifică sunt relativ mici. Toate tripleții cu rădăcina A au baze slabe și codifică aminoacizi polari de dimensiuni nu mici. Codonii cu rădăcină G se caracterizează prin variante extreme și anormale de aminoacizi și serii. Ele codifică cel mai mic aminoacid (glicină), cel mai lung și mai plat (triptofan), cel mai lung și mai noduros (arginina), cel mai reactiv (cisteină) și formează o subserie anormală pentru serină.

10. Blocare. Codul civil universal este un cod „bloc”. Aceasta înseamnă că aminoacizii cu proprietăți fizico-chimice similare sunt codificați de codoni care diferă unul de celălalt printr-o bază. Natura bloc a codului este clar vizibilă în figura următoare.

Orez. 6. Structura în bloc a Codului civil. Aminoacizii cu o grupare alchil sunt indicați cu alb.

Orez. 7. Reprezentarea color a proprietăților fizico-chimice ale aminoacizilor, pe baza valorilor descrise în carteStyers "Biochimie". În stânga este hidrofobicitatea. În partea dreaptă este capacitatea de a forma o spirală alfa într-o proteină. Culorile roșu, galben și albastru indică aminoacizi cu hidrofobicitate ridicată, medie și scăzută (stânga) sau gradul corespunzător de capacitate de a forma o helix alfa (dreapta).

Proprietatea de blocare și regularitate poate fi explicată și prin faptul că în timpul perioadei de formare GC a capturat noi codoni, care erau minim diferiți de cei deja utilizați.

Codonii cu aceleași primele baze (prefixe de codon) codifică aminoacizi cu căi de biosinteză similare. Codonii aminoacizilor aparținând familiilor shikimat, piruvat, aspartat și glutamat au ca prefixe U, G, A și respectiv C. Despre căile biosintezei antice a aminoacizilor și conexiunea acesteia cu proprietățile codului modern, a se vedea „Dubletul antic cod genetic a fost predeterminată de căile sintezei aminoacizilor." Pe baza acestor date, unii cercetători ajung la concluzia că formarea codului a fost influențată în mare măsură de relațiile de biosinteză dintre aminoacizi. Cu toate acestea, asemănarea căilor de biosinteză nu înseamnă deloc asemănarea a proprietăților fizico-chimice.

11. Imunitate la zgomot.În cea mai generală formă, imunitatea la zgomot a HA înseamnă că, cu mutații punctuale aleatorii și erori de translație, proprietățile fizico-chimice ale aminoacizilor nu se schimbă foarte mult.

Înlocuirea unei nucleotide într-un triplet în cele mai multe cazuri fie nu duce la o modificare a aminoacidului codificat, fie conduce la o schimbare la un aminoacid cu aceeași polaritate.

Unul dintre mecanismele care asigură imunitatea la zgomot a unui GC este degenerarea acestuia. Degenerarea medie este egală cu numărul de semnale codificate/numărul total de codoni, unde semnalele codificate includ 20 de aminoacizi și semnul de terminare a translației. Degenerarea medie pentru toți aminoacizii și semnul de terminare este de trei codoni per semnal codificat.

Pentru a cuantifica imunitatea la zgomot, introducem două concepte. Mutațiile de substituție a nucleotidelor care nu duc la o schimbare a clasei aminoacizilor codificați se numesc conservator. Mutațiile substituțiilor de nucleotide care conduc la o schimbare a clasei aminoacidului codificat se numesc radical .

Fiecare triplet permite 9 înlocuiri individuale. Există 61 de tripleți care codifică aminoacizi în total. Prin urmare, numărul eventuale înlocuiri nucleotide pentru toți codonii -

61 x 9 = 549. Dintre acestea:

Substituțiile cu 23 de nucleotide au ca rezultat codoni stop.

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.

Pe baza acestor calcule, obținem o evaluare cantitativă a imunității la zgomot a codului ca raport dintre numărul de înlocuiri conservatoare și numărul de înlocuiri radicale. Este egal cu 364/162=2,25

Atunci când se evaluează în mod realist contribuția degenerenței la imunitatea la zgomot, este necesar să se ia în considerare frecvența de apariție a aminoacizilor în proteine, care variază în funcție de specii.

Care este motivul imunității la zgomot a codului? Majoritatea cercetătorilor cred că această proprietate este o consecință a selecției de GC alternative.

Stephen Freeland și Lawrence Hurst au generat astfel de coduri aleatoriu și au descoperit că doar unul din o sută de coduri alternative nu era mai puțin rezistent la zgomot decât codul universal.
Chiar mai mult fapt interesant a fost descoperit atunci când acești cercetători au introdus o constrângere suplimentară pentru a ține cont de tendințele din lumea reală în modelele de mutații ADN și erorile de traducere. În astfel de condiții, DOAR UN COD DIN UN MILION POSIBIL s-a dovedit a fi mai bun decât codul canonic.
Această vitalitate fără precedent a codului genetic poate fi explicată cel mai ușor prin faptul că s-a format ca urmare a selecției naturale. Poate că au existat odată multe coduri în lumea biologică, fiecare cu propria sa sensibilitate la erori. Organismul care le-a făcut față mai bine a avut șanse mai mari de supraviețuire, iar codul canonic pur și simplu a câștigat lupta pentru existență. Această presupunere pare destul de realistă - la urma urmei, știm că codurile alternative există cu adevărat. Pentru mai multe informații despre imunitatea la zgomot, vezi Evoluția codificată (S. Freeland, L. Hirst „Evoluția codificată”. // În lumea științei. - 2004, nr. 7).

În concluzie, îmi propun să numărăm numărul de coduri genetice posibile care pot fi generate pentru cei 20 de aminoacizi canonici. Din anumite motive, nu am întâlnit acest număr nicăieri. Așadar, avem nevoie ca GC-urile generate trebuie să conțină 20 de aminoacizi și un semnal de oprire, codificat de MĂȚIN UN CODON.

Să numerotăm mental codonii într-o anumită ordine. Vom raționa în felul următor. Dacă avem exact 21 de codoni, atunci fiecare aminoacid și semnal de oprire va ocupa exact un codon. În acest caz, vor exista 21 de GC-uri posibile!

Dacă există 22 de codoni, atunci apare un codon suplimentar, care poate avea unul dintre cele 21 de simțuri, iar acest codon poate fi localizat în oricare dintre cele 22 de locuri, în timp ce codonii rămași au exact un sens diferit, ca în cazul celor 21. codoni. Apoi obținem numărul de combinații 21!x(21x22).

Dacă sunt 23 de codoni, atunci, raționând în mod similar, obținem că 21 de codoni au exact o semnificație diferită fiecare (21! opțiuni), iar doi codoni au 21 de semnificații diferite fiecare (21 2 semnificații cu o poziție FIXĂ a acestor codoni). Numărul de poziții diferite pentru acești doi codoni va fi 23x22. Numărul total Variante GC pentru 23 de codoni - 21!x21 2 x23x22

Dacă există 24 de codoni, atunci numărul de GC va fi 21!x21 3 x24x23x22,...

....................................................................................................................

Dacă există 64 de codoni, atunci numărul posibilelor GC va fi 21!x21 43 x64!/21! = 21 43 x64! ~ 9,1x10 145

Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic, bazat pe o anumită alternanță a secvențelor de nucleotide din ADN sau ARN, formând codoni corespunzători aminoacizilor dintr-o proteină.

Proprietățile codului genetic.

Codul genetic are mai multe proprietăți.

Tripletate.

Degenerare sau redundanță.

Neambiguitate.

Polaritate.

Nesuprapunere.

Compactitate.

Versatilitate.

Trebuie remarcat faptul că unii autori propun și alte proprietăți ale codului legate de caracteristicile chimice ale nucleotidelor incluse în cod sau de frecvența de apariție a aminoacizilor individuali în proteinele organismului etc. Cu toate acestea, aceste proprietăți decurg din cele enumerate mai sus, așa că le vom lua în considerare acolo.

A. Tripletate. Codul genetic, ca multe lucruri, este complicat sistem organizat are cea mai mică unitate structurală și cea mai mică unitate funcțională. Un triplet este cea mai mică unitate structurală a codului genetic. Este format din trei nucleotide. Codon - cel mai mic unitate funcțională cod genetic. De obicei, tripleții de ARNm sunt numiți codoni. În codul genetic, un codon îndeplinește mai multe funcții. În primul rând, funcția sa principală este aceea de a codifica un singur aminoacid. În al doilea rând, codonul poate să nu codifice pentru un aminoacid, dar, în acest caz, îndeplinește o altă funcție (vezi mai jos). După cum se poate vedea din definiție, un triplet este un concept care caracterizează elementar unitate structurală cod genetic (trei nucleotide). Codon – caracterizează unitate semantică elementară genom - trei nucleotide determină atașarea unui aminoacid la lanțul polipeptidic.

Unitatea structurală elementară a fost mai întâi descifrată teoretic, iar apoi existența ei a fost confirmată experimental. Într-adevăr, 20 de aminoacizi nu pot fi codificați cu una sau două nucleotide deoarece dintre acestea din urmă sunt doar 4. Trei din patru nucleotide dau 4 3 = 64 de variante, ceea ce acoperă mai mult decât numărul de aminoacizi disponibili în organismele vii (vezi Tabelul 1).

Cele 64 de combinații de nucleotide prezentate în tabel au două caracteristici. În primul rând, dintre cele 64 de variante triplete, doar 61 sunt codoni și codifică orice aminoacid, ele sunt numite codoni de sens. Trei tripleți nu codifică

aminoacizii a sunt semnale de oprire care indică sfârșitul translației. Există trei astfel de tripleți - UAA, UAG, UGA, ele sunt numite și „fără sens” (codoni aiurea). Ca rezultat al unei mutații, care este asociată cu înlocuirea unei nucleotide într-un triplet cu altul, un codon nonsens poate apărea dintr-un codon sens. Acest tip de mutație se numește mutație aiurea. Dacă un astfel de semnal de oprire se formează în interiorul genei (în partea sa de informații), atunci în timpul sintezei proteinelor în acest loc, procesul va fi întrerupt constant - va fi sintetizată doar prima parte a proteinei (înainte de semnalul de oprire). O persoană cu această patologie va experimenta o lipsă de proteine ​​și va experimenta simptome asociate cu această deficiență. De exemplu, acest tip de mutație a fost identificat în gena care codifică lanțul beta al hemoglobinei. Se sintetizează un lanț scurt de hemoglobină inactiv, care este distrus rapid. Ca rezultat, se formează o moleculă de hemoglobină lipsită de lanț beta. Este clar că este puțin probabil ca o astfel de moleculă să-și îndeplinească pe deplin sarcinile. Apare o boală gravă care se dezvoltă ca anemie hemolitică (talasemie beta-zero, din cuvântul grecesc „Thalas” - Marea Mediterană, unde a fost descoperită prima dată această boală).

Mecanismul de acțiune al codonilor stop diferă de mecanismul de acțiune al codonilor de sens. Acest lucru rezultă din faptul că pentru toți codonii care codifică aminoacizi, s-au găsit ARNt-uri corespunzătoare. Nu s-au găsit ARNt pentru codonii nonsens. În consecință, ARNt nu ia parte la procesul de oprire a sintezei proteinelor.

CodonAUG (uneori GUG în bacterii) nu numai că codifică aminoacizii metionină și valină, dar sunt șiinițiator de difuzare .

b. Degenerare sau redundanță.

61 din cei 64 de tripleți codifică 20 de aminoacizi. Acest exces de trei ori al numărului de tripleți față de numărul de aminoacizi sugerează că pot fi utilizate două opțiuni de codare în transferul de informații. În primul rând, nu toți cei 64 de codoni pot fi implicați în codificarea a 20 de aminoacizi, dar numai 20 și, în al doilea rând, aminoacizii pot fi codificați de mai mulți codoni. Cercetările au arătat că natura a folosit această ultimă opțiune.

Preferința lui este evidentă. Dacă din 64 de tripleți variante doar 20 ar fi implicați în codificarea aminoacizilor, atunci 44 de tripleți (din 64) ar rămâne necodificatori, adică. fără sens (codoni aiurea). Anterior, am subliniat cât de periculos este pentru viața unei celule să transforme un triplet de codare ca urmare a unei mutații într-un codon fără sens - acest lucru perturbă semnificativ funcționarea normală a ARN polimerazei, ducând în cele din urmă la dezvoltarea bolilor. În prezent, trei codoni din genomul nostru sunt o prostie, dar acum imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă numărul de codoni nonsens ar crește de aproximativ 15 ori. Este clar că într-o astfel de situație tranziția codonilor normali la codoni nonsens va fi nemăsurat mai mare.

Un cod în care un aminoacid este codificat de mai multe triplete se numește degenerat sau redundant. Aproape fiecare aminoacid are mai mulți codoni. Astfel, aminoacidul leucina poate fi codificat de șase tripleți - UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valina este codificată de patru tripleți, fenilalanina de două și numai triptofan și metionină codificat de un codon. O proprietate care este asociată cu înregistrarea acelorași informații simboluri diferite se numește degenerare.

Numărul de codoni desemnați pentru un aminoacid se corelează bine cu frecvența de apariție a aminoacidului în proteine.

Și cel mai probabil acest lucru nu este întâmplător. Cu cât frecvența de apariție a unui aminoacid într-o proteină este mai mare, cu atât codonul acestui aminoacid este mai des reprezentat în genom, cu atât este mai mare probabilitatea de deteriorare a acestuia de către factorii mutageni. Prin urmare, este clar că un codon mutant are o șansă mai mare de a codifica același aminoacid dacă este foarte degenerat. Din această perspectivă, degenerarea codului genetic este un mecanism care protejează genomul uman de deteriorare.

Trebuie remarcat faptul că termenul de degenerare este folosit în genetica moleculară într-un alt sens. Astfel, cea mai mare parte a informațiilor dintr-un codon este conținută în primele două nucleotide; baza din poziția a treia a codonului se dovedește a fi de mică importanță. Acest fenomen se numește „degenerarea bazei a treia”. Ultima caracteristică minimizează efectul mutațiilor. De exemplu, se știe că funcția principală a globulelor roșii este de a transporta oxigenul de la plămâni la țesuturi și dioxid de carbon de la țesuturi la plămâni. Această funcție este îndeplinită de pigmentul respirator - hemoglobina, care umple întreaga citoplasmă a eritrocitei. Este format dintr-o parte proteică - globină, care este codificată de gena corespunzătoare. Pe lângă proteine, molecula de hemoglobină conține hem, care conține fier. Mutațiile în genele globinei duc la apariție diverse opțiuni hemoglobinelor. Cel mai adesea, mutațiile sunt asociate cu înlocuirea unei nucleotide cu alta și apariția unui nou codon în genă, care poate codifica un nou aminoacid în lanțul polipeptidic al hemoglobinei. Într-un triplet, ca urmare a mutației, orice nucleotidă poate fi înlocuită - prima, a doua sau a treia. Sunt cunoscute câteva sute de mutații care afectează integritatea genelor globinei. Aproape 400 dintre care sunt asociate cu înlocuirea unui singur nucleotid într-o genă și înlocuirea corespunzătoare a aminoacizilor într-o polipeptidă. Dintre acestea numai 100 înlocuirile duc la instabilitatea hemoglobinei și diferite tipuri de boli de la ușoare până la foarte severe. 300 (aproximativ 64%) mutații de substituție nu afectează funcția hemoglobinei și nu duc la patologie. Unul dintre motivele pentru aceasta este „degenerarea bazei a treia” menționată mai sus, când o înlocuire a celei de-a treia nucleotide într-un triplet care codifică serină, leucină, prolină, arginină și alți alți aminoacizi duce la apariția unui codon sinonim. care codifică același aminoacid. O astfel de mutație nu se va manifesta fenotipic. În schimb, orice înlocuire a primei sau celei de-a doua nucleotide într-un triplet în 100% din cazuri duce la apariția unei noi variante de hemoglobină. Dar chiar și în acest caz, este posibil să nu existe tulburări fenotipice severe. Motivul pentru aceasta este înlocuirea unui aminoacid din hemoglobină cu altul similar cu primul. proprietati fizice si chimice. De exemplu, dacă un aminoacid cu proprietăți hidrofile este înlocuit cu un alt aminoacid, dar cu aceleași proprietăți.

Hemoglobina este formată din grupul porfirinei de fier de hem (moleculele de oxigen și dioxid de carbon sunt atașate la acesta) și proteine ​​- globină. Hemoglobina adultă (HbA) conține două identice -lanturi si doua -lanţuri. Moleculă - lanțul conține 141 de resturi de aminoacizi, -lanț - 146, - Și -lanţurile diferă în multe resturi de aminoacizi. Secvența de aminoacizi a fiecărui lanț de globină este codificată de propria sa genă. Codificarea genelor - lanțul este situat în brațul scurt al cromozomului 16, -genă - în brațul scurt al cromozomului 11. Substituție în codificarea genei -lantul hemoglobinei din primul sau al doilea nucleotid duce aproape intotdeauna la aparitia de noi aminoacizi in proteina, perturbarea functiilor hemoglobinei si consecinte grave pentru pacient. De exemplu, înlocuirea „C” într-unul dintre tripleții CAU (histidină) cu „Y” va duce la apariția unui nou triplet UAU, care codifică un alt aminoacid - tirozină. Fenotipic, aceasta se va manifesta într-o boală severă.. A înlocuire similară în poziția 63 -lantul polipeptidei histidinei la tirozina va duce la destabilizarea hemoglobinei. Se dezvoltă boala methemoglobinemie. Înlocuirea, ca urmare a mutației, a acidului glutamic cu valină în poziția a 6-a -lantul este cauza celei mai severe boli - drepanemia. Să nu continuăm lista tristă. Să remarcăm doar că la înlocuirea primelor două nucleotide poate apărea un aminoacid cu proprietăți fizico-chimice asemănătoare celui precedent. Astfel, înlocuirea celei de-a doua nucleotide într-unul dintre tripleții care codifică acidul glutamic (GAA) în -lanțul cu „U” duce la apariția unui nou triplet (GUA), care codifică valina, iar înlocuirea primei nucleotide cu „A” formează tripletul AAA, care codifică aminoacidul lizină. Acidul glutamic și lizina sunt similare ca proprietăți fizico-chimice - ambele sunt hidrofile. Valina este un aminoacid hidrofob. Prin urmare, înlocuirea acidului glutamic hidrofil cu valină hidrofobă modifică semnificativ proprietățile hemoglobinei, ceea ce duce în cele din urmă la dezvoltarea anemiei falciforme, în timp ce se înlocuiește acidul glutamic hidrofil cu lizină hidrofilă în într-o măsură mai mică modifică funcția hemoglobinei - pacienții dezvoltă o formă ușoară de anemie. Ca urmare a înlocuirii celei de-a treia baze, noul triplet poate codifica aceiași aminoacizi ca și precedentul. De exemplu, dacă în tripletul CAC uracilul a fost înlocuit cu citozină și a apărut un triplet CAC, atunci practic nu vor fi detectate modificări fenotipice la om. Acest lucru este de înțeles, pentru că ambele triplete codifică același aminoacid – histidina.

În concluzie, este oportun să subliniem că degenerarea codului genetic și degenerarea bazei a treia din punct de vedere biologic general sunt mecanisme de protecție care sunt inerente evoluției în structura unică a ADN-ului și ARN-ului.

V. Neambiguitate.

Fiecare triplet (cu excepția prostiilor) codifică doar un aminoacid. Astfel, în direcția codon - aminoacid codul genetic este lipsit de ambiguitate, în direcția aminoacid - codon este ambiguu (degenerat).

Fără ambiguitate

Codonul aminoacidului

Degenerat

Și în acest caz, necesitatea lipsei de ambiguitate în codul genetic este evidentă. Într-o altă opțiune, la traducerea aceluiași codon, în lanțul proteic ar fi inserați diferiți aminoacizi și, ca urmare, s-ar forma proteine ​​cu structuri primare diferite și funcții diferite. Metabolismul celular ar trece la modul de operare „o genă – mai multe polipeptide”. Este clar că într-o astfel de situație funcția de reglare a genelor s-ar pierde complet.

g. Polaritatea

Citirea informațiilor din ADN și ARNm are loc doar într-o singură direcție. Polaritatea este importantă pentru definirea structurilor de ordin superior (secundar, terțiar etc.). Mai devreme am vorbit despre modul în care structurile de ordin inferior determină structurile de ordin superior. Structura și structurile terțiare mai mult ordin înaltîn proteine, ele se formează imediat de îndată ce lanțul de ARN sintetizat părăsește molecula de ADN sau lanțul polipeptidic părăsește ribozomul. În timp ce capătul liber al unui ARN sau polipeptidă capătă o structură terțiară, celălalt capăt al lanțului continuă să fie sintetizat pe ADN (dacă ARN-ul este transcris) sau pe un ribozom (dacă este transcris o polipeptidă).

Prin urmare, procesul unidirecțional de citire a informațiilor (în timpul sintezei ARN-ului și proteinei) este esențial nu numai pentru determinarea secvenței de nucleotide sau aminoacizi din substanța sintetizată, ci și pentru determinarea strictă a secundare, terțiare etc. structurilor.

d. Nesuprapunere.

Codul poate fi suprapus sau fără suprapunere. Majoritatea organismelor au un cod care nu se suprapune. Codul suprapus se găsește în unele fagi.

Esența unui cod care nu se suprapun este că o nucleotidă a unui codon nu poate fi simultan o nucleotidă a altui codon. Dacă codul s-ar suprapune, atunci secvența de șapte nucleotide (GCUGCUG) ar putea codifica nu doi aminoacizi (alanina-alanina) (Fig. 33, A) ca în cazul unui cod care nu se suprapun, ci trei (dacă există o nucleotidă în comun) (Fig. 33, B) sau cinci (dacă două nucleotide sunt comune) (vezi Fig. 33, C). În ultimele două cazuri, o mutație a oricărei nucleotide ar duce la o încălcare a secvenței de doi, trei etc. aminoacizi.

Cu toate acestea, s-a stabilit că o mutație a unei nucleotide perturbă întotdeauna includerea unui aminoacid într-o polipeptidă. Acesta este un argument semnificativ că codul nu se suprapune.

Să explicăm acest lucru în Figura 34. Liniile aldine arată tripleți care codifică aminoacizi în cazul codului care nu se suprapun și se suprapune. Experimentele au arătat în mod clar că codul genetic nu se suprapune. Fără a intra în detalii ale experimentului, observăm că dacă înlocuiți a treia nucleotidă din secvența de nucleotide (vezi Fig. 34)U (marcat cu un asterisc) la altceva:

1. Cu un cod care nu se suprapune, proteina controlată de această secvență ar avea o substituție a unui (prim) aminoacid (marcat cu asteriscuri).

2. Cu un cod suprapus în opțiunea A, ar avea loc o substituție în doi (primul și al doilea) aminoacizi (marcați cu asteriscuri). În cadrul opțiunii B, înlocuirea ar afecta trei aminoacizi (marcați cu asteriscuri).

Cu toate acestea, numeroase experimente au arătat că atunci când o nucleotidă din ADN este întreruptă, întreruperea proteinei afectează întotdeauna doar un aminoacid, ceea ce este tipic pentru un cod care nu se suprapune.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU UGC GCU GCU GCU

*** *** *** *** *** ***

Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley

A B C

Cod care nu se suprapune Cod care nu se suprapune

Orez. 34. O diagramă care explică prezența unui cod care nu se suprapune în genom (explicație în text).

Nesuprapunerea codului genetic este asociată cu o altă proprietate - citirea informațiilor începe dintr-un anumit punct - semnalul de inițiere. Un astfel de semnal de inițiere în ARNm este codonul care codifică metionina AUG.

Trebuie remarcat faptul că oamenii au încă un număr mic de gene care deviază de la regula generalași se suprapun.

e. Compactitate.

Nu există semne de punctuație între codoni. Cu alte cuvinte, tripleții nu sunt separați unul de celălalt, de exemplu, printr-o singură nucleotidă fără sens. Absența „semnelor de punctuație” în codul genetic a fost dovedită în experimente.

și. Versatilitate.

Codul este același pentru toate organismele care trăiesc pe Pământ. Dovada directă a universalității codului genetic a fost obținută prin compararea secvențelor de ADN cu secvențele de proteine ​​corespunzătoare. S-a dovedit că toți genomii bacterieni și eucarioți folosesc aceleași seturi de valori de cod. Sunt excepții, dar nu multe.

Primele excepții de la universalitatea codului genetic s-au găsit în mitocondriile unor specii de animale. Aceasta se referă la codonul terminator UGA, care se citește la fel ca codonul UGG, care codifică aminoacidul triptofan. Au fost găsite și alte abateri mai rare de la universalitate.

Sistemul de coduri ADN.

Codul genetic al ADN-ului este format din 64 de tripleți de nucleotide. Acești tripleți se numesc codoni. Fiecare codon codifică unul dintre cei 20 de aminoacizi utilizați în sinteza proteinelor. Acest lucru dă o oarecare redundanță în cod: majoritatea aminoacizilor sunt codificați de mai mult de un codon.
Un codon îndeplinește două funcții interdependente: semnalează începutul translației și codifică includerea aminoacidului metionină (Met) în lanțul polipeptidic în creștere. Sistemul de codificare ADN este conceput astfel încât codul genetic să poată fi exprimat fie ca codoni ARN, fie ca codoni ADN. Codonii ARN se găsesc în ARN (ARNm) și acești codoni sunt capabili să citească informații în timpul sintezei polipeptidelor (un proces numit traducere). Dar fiecare moleculă de ARNm dobândește o secvență de nucleotide în transcripție de la gena corespunzătoare.

Toți, cu excepția a doi aminoacizi (Met și Trp) pot fi codificați de 2 până la 6 codoni diferiți. Cu toate acestea, genomul majorității organismelor arată că anumiți codoni sunt favorizați față de alții. La oameni, de exemplu, alanina este codificată de GCC de patru ori mai des decât de GCG. Acest lucru indică probabil o eficiență mai mare de traducere a aparatului de traducere (de exemplu, ribozomul) pentru unii codoni.

Codul genetic este aproape universal. Aceiași codoni sunt alocați aceleiași secțiuni de aminoacizi și aceleași semnale de pornire și oprire sunt în mare parte aceleași la animale, plante și microorganisme. Cu toate acestea, au fost găsite unele excepții. Cele mai multe implică alocarea unuia sau doi dintre cei trei codoni stop unui aminoacid.

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 moduri diferite (în în acest caz, nucleotide care le conțin) 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 triplete posibile 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. Redundanța se mai numește 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 pentru glicină și niciun 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 nesuprapune. 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.

În metabolismul organismului rol principal aparține proteinelor și acizilor nucleici.
Substanțele proteice formează baza tuturor structurilor celulare vitale, au o reactivitate neobișnuit de mare și sunt înzestrate cu funcții catalitice.
Acizii nucleici fac parte din cel mai important organ al celulei - nucleul, precum și citoplasma, ribozomii, mitocondriile etc. Acizii nucleici joacă un rol important, primar în ereditatea, variabilitatea organismului și în sinteza proteinelor.

Plan sinteză proteina este stocată în nucleul celulei, iar sinteza directă are loc în afara nucleului, deci este necesar serviciu de livrare codificat plan de la nucleu la locul sintezei. Acest serviciu de livrare este realizat de molecule de ARN.

Procesul începe la miez celule: o parte a „scării” ADN se desfășoară și se deschide. Datorită acestui fapt, literele ARN formează legături cu literele ADN deschise ale uneia dintre catenele de ADN. Enzima transferă literele ARN pentru a le uni într-o catenă. Acesta este modul în care literele ADN-ului sunt „rescrise” în literele ARN. Lanțul de ARN nou format este separat, iar „scara” ADN-ului se răsucește din nou. Se numește procesul de citire a informațiilor din ADN și sintetizare folosind matricea sa de ARN transcriere , iar ARN-ul sintetizat se numește mesager sau ARNm .

După modificări suplimentare, acest tip de ARNm codificat este gata. ARNm iese din nucleuși merge la locul sintezei proteinelor, unde sunt descifrate literele ARNm. Fiecare set de trei litere i-ARN formează o „litera” care reprezintă un aminoacid specific.

Un alt tip de ARN găsește acest aminoacid, îl captează cu ajutorul unei enzime și îl livrează la locul sintezei proteinelor. Acest ARN se numește ARN de transfer sau t-ARN. Pe măsură ce mesajul ARNm este citit și tradus, lanțul de aminoacizi crește. Acest lanț se răsucește și se pliază într-o formă unică, creând un singur tip de proteină. Chiar și procesul de pliere a proteinelor este remarcabil: este nevoie de un computer pentru a calcula totul Opțiuni plierea unei proteine ​​de dimensiuni medii constând din 100 de aminoacizi ar dura 1027 (!) ani. Și nu durează mai mult de o secundă pentru a forma un lanț de 20 de aminoacizi în organism, iar acest proces are loc continuu în toate celulele corpului.

Genele, codul genetic și proprietățile sale.

Aproximativ 7 miliarde de oameni trăiesc pe Pământ. În afară de cele 25-30 de milioane de perechi de gemeni identici, genetic toți oamenii sunt diferiți : fiecare este unic, are caracteristici ereditare unice, trăsături de caracter, abilități și temperament.

Aceste diferențe sunt explicate diferențe de genotipuri- seturi de gene ale organismului; Fiecare este unic. Caracteristicile genetice ale unui anumit organism sunt întruchipate în proteine - prin urmare, structura proteinei unei persoane diferă, deși foarte puțin, de proteina altei persoane.

Nu inseamna că nici doi oameni nu au exact aceleași proteine. Proteinele care îndeplinesc aceleași funcții pot fi aceleași sau pot diferi doar puțin prin unul sau doi aminoacizi unul de celălalt. Dar nu exista pe Pământ de oameni (cu excepția gemenilor identici) care ar avea toate proteinele lor sunt la fel .

Informații despre structura primară a proteinelor codificat ca o secvență de nucleotide într-o secțiune a unei molecule de ADN, gena – o unitate de informație ereditară a unui organism. Fiecare moleculă de ADN conține multe gene. Totalitatea tuturor genelor unui organism o constituie genotip . Prin urmare,

Gena este o unitate de informații ereditare a unui organism, care corespunde unei secțiuni separate a ADN-ului

Codarea informațiilor ereditare are loc folosind cod genetic , care este universal pentru toate organismele și diferă doar prin alternanța nucleotidelor care formează gene și codifică proteine ​​ale unor organisme specifice.

Cod genetic constă din tripleți (tripleți) de nucleotide ADN, combinate în diferite secvențe (AAT, HCA, ACG, THC etc.), fiecare dintre ele codifică un aminoacid specific (care va fi încorporat în lanțul polipeptidic).

De fapt cod conteaza secvența de nucleotide dintr-o moleculă de ARNm , deoarece elimină informații din ADN (proces transcrieri ) și îl traduce într-o secvență de aminoacizi din moleculele proteinelor sintetizate (procesul emisiuni ).
Compoziția ARNm include nucleotidele A-C-G-U, ale căror tripleți se numesc codoni : un triplet pe ADN CGT pe i-ARN va deveni un triplet GCA, iar un triplet ADN AAG va deveni un triplet UUC. Exact codoni ARNm codul genetic este reflectat în înregistrare.

Prin urmare, cod genetic - un singur sistemînregistrarea informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic sub forma unei secvențe de nucleotide . Codul genetic se bazează pe utilizarea unui alfabet format din doar patru litere-nucleotide, distinse prin baze azotate: A, T, G, C.

Proprietățile de bază ale codului genetic:

1. Cod genetic triplet. Un triplet (codon) este o secvență de trei nucleotide care codifică un aminoacid. Deoarece proteinele conțin 20 de aminoacizi, este evident că fiecare dintre ei nu poate fi codificat de o singură nucleotidă ( Deoarece există doar patru tipuri de nucleotide în ADN, în acest caz 16 aminoacizi rămân necodați). De asemenea, două nucleotide nu sunt suficiente pentru a codifica aminoacizi, deoarece în acest caz pot fi codificați doar 16 aminoacizi. Aceasta înseamnă că cel mai mic număr de nucleotide care codifică un aminoacid trebuie să fie de cel puțin trei. În acest caz, numărul de tripleți posibili de nucleotide este 43 = 64.

2. Redundanță (degenerare) Codul este o consecință a naturii sale triplete și înseamnă că un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete (deoarece există 20 de aminoacizi și 64 de tripleți), cu excepția metioninei și triptofanului, care sunt codificați de un singur triplet. În plus, unii tripleți îndeplinesc funcții specifice: într-o moleculă de ARNm, tripleții UAA, UAG, UGA sunt codoni stop, adică. Stop-semnale care opresc sinteza lantului polipeptidic. Tripletul corespunzător metioninei (AUG), situat la începutul lanțului ADN, nu codifică un aminoacid, ci îndeplinește funcția de inițiere (excitantă) a citirii.

3. Neambiguitate cod - în același timp cu redundanța, codul are proprietatea neambiguitate : fiecare codon se potrivește numai unu un anumit aminoacid.

4. Coliniaritate cod, adică secvența de nucleotide dintr-o genă exact corespunde secvenței de aminoacizi dintr-o proteină.

5. Cod genetic nesuprapune și compacte , adică nu conține „semne de punctuație”. Aceasta înseamnă că procesul de citire nu permite posibilitatea suprapunerii coloanelor (triplete), iar, începând de la un anumit codon, citirea continuă, triplet după triplet, până la Stop-semnale ( codoni de oprire).

6. Cod genetic universal , adică genele nucleare ale tuturor organismelor codifică informații despre proteine ​​în același mod, indiferent de nivelul de organizare și poziție sistematică aceste organisme.

Exista tabele de coduri genetice pentru decriptare codoni ARNm și construcția lanțurilor de molecule proteice.

Reacții de sinteză a matricei.

Reacții necunoscute în natura neînsuflețită apar în sistemele vii - reacții de sinteză a matricei.

Termenul "matrice"în tehnologie ei desemnează o matriță folosită pentru turnarea monedelor, medaliilor și fonturilor tipografice: metalul întărit reproduce exact toate detaliile matriței folosite la turnare. Sinteza matricei se aseamănă cu turnarea pe o matrice: moleculele noi sunt sintetizate exact în conformitate cu planul stabilit în structura moleculelor existente.

Principiul matricei se află in nucleu cele mai importante reacții sintetice ale celulei, cum ar fi sinteza acizilor nucleici și a proteinelor. Aceste reacții asigură secvența exactă, strict specifică a unităților monomerice din polimerii sintetizați.

Aici se desfășoară o acțiune direcțională. trăgând monomerii într-o anumită locație celule - în molecule care servesc drept matrice în care are loc reacția. Dacă astfel de reacții ar avea loc ca urmare a ciocnirilor aleatorii ale moleculelor, ele ar proceda infinit lent. Sinteza moleculelor complexe pe baza principiului șablonului se realizează rapid și precis. Rolul matricei macromoleculele acizilor nucleici joacă în reacțiile matriceale ADN sau ARN .

Molecule monomerice din care se sintetizează polimerul - nucleotide sau aminoacizi - în conformitate cu principiul complementarității, sunt localizate și fixate pe matrice într-o ordine strict definită, specificată.

Apoi se întâmplă „reticulare” unităților monomerice într-un lanț polimeric, iar polimerul finit este evacuat din matrice.

După care matricea este gata la asamblarea unei noi molecule de polimer. Este clar că, la fel cum pe o matriță dată poate fi turnată doar o monedă sau o literă, la fel pe o anumită moleculă matrice poate fi „asamblat” un singur polimer.

Tipul de reacție matriceală- o caracteristică specifică a chimiei sistemelor vii. Ele sunt baza proprietății fundamentale a tuturor ființelor vii - capacitatea sa de a reproduce propriul fel.

Reacții de sinteză șablon

1. Replicarea ADN-ului - replicare (din latină replicatio - reînnoire) - procesul de sinteză a unei molecule fiice de acid dezoxiribonucleic pe matricea moleculei de ADN părinte. În timpul diviziunii ulterioare a celulei mamă, fiecare celulă fiică primește o copie a unei molecule de ADN care este identică cu ADN-ul celulei mamă inițiale. Acest proces asigură transmiterea cu acuratețe a informațiilor genetice din generație în generație. Replicarea ADN-ului este realizată de un complex enzimatic complex format din 15-20 diverse proteine, numit replisome . Materialul pentru sinteză este nucleotidele libere prezente în citoplasma celulelor. Semnificația biologică a replicării constă în transferul precis al informațiilor ereditare de la molecula mamă la moleculele fiice, care are loc în mod normal în timpul diviziunii celulelor somatice.

O moleculă de ADN este formată din două catene complementare. Aceste lanțuri sunt ținute împreună prin legături slabe de hidrogen care pot fi rupte de enzime. Molecula de ADN este capabilă de auto-duplicare (replicare), iar pe fiecare jumătate veche a moleculei este sintetizată o nouă jumătate.
În plus, o moleculă de ARNm poate fi sintetizată pe o moleculă de ADN, care apoi transferă informațiile primite de la ADN la locul de sinteză a proteinei.

Transferul de informații și sinteza proteinelor se desfășoară după un principiu de matrice, comparabil cu funcționarea unei prese de tipar într-o tipografie. Informațiile din ADN sunt copiate de mai multe ori. Dacă apar erori în timpul copierii, acestea vor fi repetate în toate copiile ulterioare.

Adevărat, unele erori la copierea informațiilor cu o moleculă de ADN pot fi corectate - procesul de eliminare a erorilor se numește reparaţie. Prima dintre reacțiile în procesul de transfer de informații este replicarea moleculei de ADN și sinteza de noi lanțuri de ADN.

2. Transcriere (din latină transcriptio - rescriere) - procesul de sinteză a ARN folosind ca șablon ADN-ul, care are loc în toate celulele vii. Cu alte cuvinte, este transferul de informații genetice de la ADN la ARN.

Transcripția este catalizată de enzima ARN polimeraza dependentă de ADN. ARN polimeraza se deplasează de-a lungul moleculei de ADN în direcția 3" → 5". Transcrierea constă din etape iniţierea, alungirea şi terminarea . Unitatea de transcriere este un operon, un fragment al unei molecule de ADN format din promotor, parte transcrisă și terminator . ARNm constă dintr-un singur lanț și este sintetizat pe ADN în conformitate cu regula complementarității, cu participarea unei enzime care activează începutul și sfârșitul sintezei moleculei de ARNm.

Molecula de ARNm finită intră în citoplasmă pe ribozomi, unde are loc sinteza lanțurilor polipeptidice.

3. Difuzare (din lat. traducere- transfer, mișcare) - procesul de sinteză a proteinelor din aminoacizi pe o matrice de informații (mesager) ARN (ARNm, ARNm), realizat de ribozom. Cu alte cuvinte, acesta este procesul de traducere a informațiilor conținute în secvența de nucleotide ale ARNm în secvența de aminoacizi din polipeptidă.

4. Transcriere inversă este procesul de formare a ADN-ului dublu catenar pe baza informațiilor din ARN monocatenar. Acest proces se numește transcripție inversă, deoarece transferul de informații genetice are loc în direcția „inversă” față de transcripție. Ideea transcripției inverse a fost inițial foarte nepopulară, deoarece a contrazis dogma centrală a biologiei moleculare, care presupunea că ADN-ul este transcris în ARN și apoi tradus în proteine.

Cu toate acestea, în 1970, Temin și Baltimore au descoperit în mod independent o enzimă numită revers transcriptază (revertază) , iar posibilitatea transcripției inverse a fost în sfârșit confirmată. În 1975, Temin și Baltimore au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină. Unii virusuri (cum ar fi virusul imunodeficienței umane, care provoacă infecția cu HIV) au capacitatea de a transcrie ARN-ul în ADN. HIV are un genom ARN care este integrat în ADN. Ca rezultat, ADN-ul virusului poate fi combinat cu genomul celulei gazdă. Se numește principala enzimă responsabilă de sinteza ADN-ului din ARN inversare. Una dintre funcțiile reversease este de a crea ADN complementar (ADNc) din genomul viral. Enzima asociată ribonucleaza scindează ARN-ul, iar reversease sintetizează ADNc din dubla helix ADN. ADNc este integrat în genomul celulei gazdă prin integrază. Rezultatul este sinteza proteinelor virale de către celula gazdă, care formează noi viruși. În cazul HIV, este programată și apoptoza (moartea celulară) a limfocitelor T. În alte cazuri, celula poate rămâne un distribuitor de viruși.

Urmare reacții matricealeîn timpul biosintezei proteinelor poate fi reprezentat sub forma unei diagrame.

Prin urmare, biosinteza proteinelor- acesta este unul dintre tipurile de schimb plastic, în timpul căruia informațiile ereditare codificate în genele ADN sunt implementate într-o secvență specifică de aminoacizi din moleculele proteice.

Moleculele de proteine ​​sunt în esență lanțuri polipeptidice format din aminoacizi individuali. Dar aminoacizii nu sunt suficient de activi pentru a se combina unul cu celălalt pe cont propriu. Prin urmare, înainte ca acestea să se combine între ele și să formeze o moleculă proteică, aminoacizii trebuie Activati . Această activare are loc sub acțiunea unor enzime speciale.

Ca urmare a activării, aminoacidul devine mai labil și, sub acțiunea aceleiași enzime, se leagă de t- ARN. Fiecare aminoacid corespunde unui t- strict specific ARN, care își găsește aminoacidul și transferuri acesta în ribozom.

În consecință, diverse aminoacizi activați combinați cu proprii lor T- ARN. Ribozomul este ca transportor pentru a asambla un lanț proteic din diverși aminoacizi furnizați acestuia.

Simultan cu t-ARN, pe care „stă” propriul său aminoacid, „ semnal„din ADN-ul care este conținut în nucleu. În conformitate cu acest semnal, una sau alta proteină este sintetizată în ribozom.

Influența direcțională a ADN-ului asupra sintezei proteinelor nu se realizează direct, ci cu ajutorul unui intermediar special - matrice sau ARN mesager (m-ARN sau ARNm), care sintetizat în nucleu e sub influența ADN-ului, deci compoziția sa reflectă compoziția ADN-ului. Molecula de ARN este ca o turnare a formei de ADN. ARNm-ul sintetizat intră în ribozom și, așa cum ar fi, îl transferă în această structură plan- in ce ordine trebuie combinati intre ei aminoacizii activati ​​care intra in ribozom pentru a putea fi sintetizata o proteina specifica? In caz contrar, informația genetică codificată în ADN este transferată la ARNm și apoi la proteine.

Molecula de ARNm intră în ribozom și ochiuri a ei. Segmentul ăla care se află în acest momentîn ribozom, definit codon (triplet), interacționează într-o manieră complet specifică cu cele care îi sunt similare structural triplet (anticodon)în ARN de transfer, care a adus aminoacidul în ribozom.

ARN de transfer cu aminoacidul său se potrivește cu un codon specific al ARNm și conectează cu el; la următoarea secțiune vecină de ARNm se adaugă un alt ARNt cu un aminoacid diferitși așa mai departe până când se citește întregul lanț de i-ARN, până când toți aminoacizii sunt redusi în ordinea potrivită, formând o moleculă proteică. Și ARNt, care a livrat aminoacidul într-o anumită parte a lanțului polipeptidic, eliberat de aminoacidul săuși iese din ribozom.

Apoi, din nou în citoplasmă, aminoacidul dorit se poate alătura acestuia și din nou îl poate transfera în ribozom. În procesul de sinteză a proteinelor, nu unul, ci mai mulți ribozomi - poliribozomi - sunt implicați simultan.

Principalele etape ale transferului de informații genetice:

1. Sinteza pe ADN ca șablon pentru ARNm (transcripție)
2. Sinteza unui lanț polipeptidic în ribozomi conform programului conținut în ARNm (traducere) .

Etapele sunt universale pentru toate ființele vii, dar relațiile temporale și spațiale ale acestor procese diferă în pro- și eucariote.

U procariotă transcripția și traducerea pot avea loc simultan deoarece ADN-ul este localizat în citoplasmă. U eucariote transcripția și translația sunt strict separate în spațiu și timp: în nucleu are loc sinteza diferitelor ARN-uri, după care moleculele de ARN trebuie să părăsească nucleul trecând prin membrana nucleară. ARN-urile sunt apoi transportate în citoplasmă la locul sintezei proteinelor.