Vad är den genetiska koden och vilka är dess egenskaper. Vad är en genetisk kod: allmän information Vad menas med en genetisk kod

Alla morfologiska, anatomiska och funktionella egenskaper hos någon levande cell och organism som helhet bestäms av strukturen hos specifika proteiner som utgör cellerna. Förmågan att syntetisera endast strikt definierade proteiner är en ärftlig egenskap hos organismer. Sekvensen av aminosyror i polypeptidkedjan - proteinets primära struktur, som dess biologiska egenskaper beror på - bestäms av sekvensen av nukleotider i DNA-molekyler. Den senare är innehavaren av ärftlig information i celler.

Nukleotidsekvensen i polynukleotidkedjan av DNA är mycket specifik för varje cell och representerar genetisk kod, genom vilken information om syntesen av vissa proteiner registreras. Det betyder att i DNA kodas varje meddelande med en specifik sekvens av fyra tecken - A, G, T, C, precis som ett skrivet meddelande kodas med tecken (bokstäver) i alfabetet eller morsekoden. Den genetiska koden är trilling d.v.s. varje aminosyra kodas av en känd kombination av tre intilliggande nukleotider, som kallas kodon. Det är lätt att beräkna att antalet möjliga kombinationer av fyra nukleotider i tre kommer att vara 64.

Det visade sig att koden är flera olika eller "degenererad", dvs samma aminosyra kan kodas av flera triplettkodon (från 2 till b), medan varje triplett kodar endast för en aminosyra, till exempel på budbärar-RNA:s språk:

• fenylalanin - UUU, UUC;
• isoleucin - AUC, AUC, AUA;
• prolin - CCU, CCC, CCA, CCG;
• serin - UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC.

Bortsett från detta är koden ej överlappande, t.s. samma nukleotid kan inte samtidigt vara en del av två angränsande tripletter. Och slutligen, den här koden har inte kommatecken, vilket betyder att om en nukleotid saknas, då när man läser den, kommer den närmaste nukleotiden från det intilliggande kodonet att ta sin plats, vilket kommer att ändra hela läsordningen. Därför säkerställs korrekt läsning av koden från budbärar-RNA av telco om den läses från en strikt definierad punkt. Startkodonen i molekylen och RNA:t är tripletterna AUG och GU G.

Nukleotidkoden är universell för alla levande organismer och virus: identiska tripletter kodar för identiska aminosyror. Denna upptäckt representerar ett allvarligt steg mot en djupare förståelse av essensen av levande materia, eftersom den genetiska kodens universalitet indikerar ursprungsenheten för alla levande organismer. Hittills har tripletter dechiffrerats för alla 20 aminosyror som utgör naturliga proteiner. Genom att känna till ordningen på tripletter i en DNA-molekyl (genetisk kod) är det därför möjligt att fastställa ordningen på aminosyrorna i ett protein.

En enda DNA-molekyl kan koda för aminosyrasekvensen för många proteiner. Ett funktionellt segment av en DNA-molekyl som bär information om strukturen hos en polypeptid eller RNA-molekyl kallas genomet. Det finns strukturella gener, som kodar för information för syntes av strukturella och enzymatiska proteiner, och gener med information för syntes av tRNA, rRNA, etc.

GENETISK KOD, en metod för att registrera ärftlig information i nukleinsyramolekyler i form av en sekvens av nukleotider som bildar dessa syror. En viss sekvens av nukleotider i DNA och RNA motsvarar en viss sekvens av aminosyror i proteinernas polypeptidkedjor. Det är vanligt att skriva koden med versaler i det ryska eller latinska alfabetet. Varje nukleotid betecknas med bokstaven med vilken namnet på den kvävebas som ingår i dess molekyl börjar: A (A) - adenin, G (G) - guanin, C (C) - cytosin, T (T) - tymin; i RNA, istället för tymin, är uracil U (U). Var och en kodas av en kombination av tre nukleotider - en triplett eller kodon. Kortfattat sammanfattas vägen för överföring av genetisk information i den sk. Den centrala dogmen för molekylärbiologi: DNA `RNA f-protein.

I speciella fall kan information överföras från RNA till DNA, men aldrig från proteiner till gener.

Implementeringen av genetisk information utförs i två steg. I cellkärnan, informations- eller matrisen, syntetiseras RNA (transkription) på DNA. I det här fallet "skrivs om" (omkodas) DNA-nukleotidsekvensen till mRNA-nukleotidsekvensen. Sedan passerar mRNA:t in i cytoplasman, fäster vid ribosomen och på den, som på en matris, syntetiseras proteinets polypeptidkedja (translation). Aminosyror fästs till kedjan under uppbyggnad med hjälp av överförings-RNA i en sekvens som bestäms av nukleotidernas ordning i mRNA.

Av fyra "bokstäver" kan du göra 64 olika trebokstavs "ord" (kodon). Av de 64 kodonen kodar 61 för specifika aminosyror och tre är ansvariga för att fullborda syntesen av polypeptidkedjan. Eftersom det finns 61 kodon per 20 aminosyror som utgör proteiner, kodas vissa aminosyror av mer än ett kodon (så kallad koddegeneration). Denna redundans ökar kodens tillförlitlighet och hela mekanismen för proteinbiosyntes. En annan egenskap hos koden är dess specificitet (entydighet): ett kodon kodar endast för en aminosyra.

Dessutom överlappar inte koden - information läses i en riktning sekventiellt, triplett för triplett. Den mest fantastiska egenskapen hos koden är dess universalitet: den är densamma i alla levande varelser - från bakterier till människor (med undantag för mitokondriernas genetiska kod). Forskare ser detta som en bekräftelse på idén att alla organismer härstammar från en gemensam förfader.

Att dechiffrera den genetiska koden, det vill säga att bestämma "betydelsen" av varje kodon och reglerna för avläsning av information, utfördes 1961–1965. och anses vara en av molekylärbiologins mest slående prestationer.

I vilken cell och organism som helst bestäms alla anatomiska, morfologiska och funktionella egenskaper av strukturen hos de proteiner som består av dem. Kroppens ärftliga egenskap är förmågan att syntetisera vissa proteiner. Aminosyror finns i en polypeptidkedja, på vilken biologiska egenskaper beror.
Varje cell har sin egen sekvens av nukleotider i polynukleotidkedjan av DNA. Detta är den genetiska koden för DNA. Genom den registreras information om syntesen av vissa proteiner. Den här artikeln beskriver vad den genetiska koden är, dess egenskaper och genetisk information.

Lite historia

Idén att det kan finnas en genetisk kod formulerades av J. Gamow och A. Down i mitten av nittonhundratalet. De beskrev att nukleotidsekvensen som är ansvarig för syntesen av en viss aminosyra innehåller minst tre enheter. Senare bevisade de det exakta antalet av tre nukleotider (detta är en enhet av genetisk kod), som kallades en triplett eller kodon. Det finns sextiofyra nukleotider totalt, eftersom syramolekylen där RNA förekommer är uppbyggd av fyra olika nukleotidrester.

Vad är genetisk kod

Metoden för att koda sekvensen av aminosyraproteiner på grund av sekvensen av nukleotider är karakteristisk för alla levande celler och organismer. Detta är vad den genetiska koden är.
Det finns fyra nukleotider i DNA:

• adenin - A;
• guanin - G;
• cytosin - C;
• tymin - T.

De betecknas med stora latinska eller (i ryskspråkig litteratur) ryska bokstäver.
RNA innehåller också fyra nukleotider, men en av dem skiljer sig från DNA:

• adenin - A;
• guanin - G;
• cytosin - C;
• uracil - U.

Alla nukleotider är ordnade i kedjor, med DNA som har en dubbel helix och RNA har en enkel helix.
Proteiner bygger på där de, belägna i en viss sekvens, bestämmer dess biologiska egenskaper.

Egenskaper hos den genetiska koden

Trippelitet. En enhet av genetisk kod består av tre bokstäver, det är triplett. Det betyder att de tjugo aminosyrorna som finns kodas av tre specifika nukleotider som kallas kodon eller trilpetter. Det finns sextiofyra kombinationer som kan skapas från fyra nukleotider. Denna mängd är mer än tillräckligt för att koda för tjugo aminosyror.
Degeneration. Varje aminosyra motsvarar mer än ett kodon, med undantag för metionin och tryptofan.
Entydighet. Ett kodon kodar för en aminosyra. Till exempel, i en frisk persons gen med information om betamålet för hemoglobin, en triplett av GAG och GAA kodar för A hos alla som har sicklecellssjukdom, ändras en nukleotid.
Kolinearitet. Aminosyrornas sekvens motsvarar alltid sekvensen av nukleotider som genen innehåller.
Den genetiska koden är kontinuerlig och kompakt, vilket innebär att den inte har några skiljetecken. Det vill säga att med början vid ett visst kodon sker kontinuerlig avläsning. Till exempel kommer AUGGGUGTSUAUAUGUG att läsas som: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Men inte AUG, UGG och så vidare eller något annat.
Mångsidighet. Det är samma sak för absolut alla landlevande organismer, från människor till fiskar, svampar och bakterier.

Tabell

Alla tillgängliga aminosyror ingår inte i den presenterade tabellen. Hydroxiprolin, hydroxylysin, fosfoserin, jodderivat av tyrosin, cystin och några andra är frånvarande, eftersom de är derivat av andra aminosyror som kodas av m-RNA och bildas efter modifiering av proteiner som ett resultat av translation.
Från egenskaperna hos den genetiska koden är det känt att ett kodon kan koda för en aminosyra. Undantaget är den genetiska koden, som utför ytterligare funktioner och kodar för valin och metionin. mRNA, som är i början av kodonet, fäster t-RNA, som bär formylmetion. När syntesen är klar, klyvs den av och tar formylresten med sig och omvandlas till en metioninrest. Sålunda är ovanstående kodoner initiatorerna för syntesen av polypeptidkedjan. Om de inte är i början, så skiljer de sig inte från de andra.

Genetisk information

Detta koncept innebär ett program av egenskaper som förs vidare från förfäder. Det är inbäddat i ärftlighet som en genetisk kod.
Den genetiska koden realiseras under proteinsyntesen:

• budbärar-RNA;
• ribosomalt rRNA.

Information överförs genom direkt kommunikation (DNA-RNA-protein) och omvänd kommunikation (medium-protein-DNA).
Organismer kan ta emot, lagra, överföra och använda det mest effektivt.
Information som överförs genom arv bestämmer utvecklingen av en viss organism. Men på grund av interaktion med miljön förvrängs reaktionen hos den senare, på grund av vilken evolution och utveckling sker. På så sätt förs ny information in i kroppen.

Beräkningen av molekylärbiologins lagar och upptäckten av den genetiska koden illustrerade behovet av att kombinera genetik med Darwins teori, på grundval av vilken en syntetisk evolutionsteori uppstod - icke-klassisk biologi.
Darwins ärftlighet, variation och naturliga urval kompletteras av genetiskt bestämt urval. Evolution realiseras på genetisk nivå genom slumpmässiga mutationer och nedärvning av de mest värdefulla egenskaperna som är mest anpassade till miljön.

Avkoda den mänskliga koden

På nittiotalet lanserades Human Genome Project, vilket ledde till att genomfragment innehållande 99,99 % av mänskliga gener upptäcktes på tvåtusendelar. Fragment som inte är involverade i proteinsyntes och som inte är kodade förblir okända. Deras roll är fortfarande okänd.

Senast upptäckt 2006, kromosom 1 är den längsta i genomet. Mer än trehundrafemtio sjukdomar, inklusive cancer, uppträder som ett resultat av störningar och mutationer i den.

Rollen av sådana studier kan inte överskattas. När de upptäckte vad den genetiska koden är blev det känt efter vilka mönster utveckling sker, hur den morfologiska strukturen, psyket, anlag för vissa sjukdomar, ämnesomsättning och defekter hos individer bildas.

GENETIC CODE, ett system för att registrera ärftlig information i form av en sekvens av nukleotidbaser i DNA-molekyler (i vissa virus - RNA), som bestämmer den primära strukturen (placering av aminosyrarester) i protein (polypeptid) molekyler. Problemet med den genetiska koden formulerades efter att ha bevisat DNA:s genetiska roll (de amerikanska mikrobiologerna O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) och dechiffrerat dess struktur (J. Watson, F. Crick, 1953), efter att ha fastställt att gener bestämmer strukturen och funktionerna hos enzymer (principen om "en gen - ett enzym" av J. Beadle och E. Tatem, 1941) och att det finns ett beroende av ett proteins rumsliga struktur och aktivitet på dess primära struktur (F. Sanger, 1955). Frågan om hur kombinationer av 4 nukleinsyrabaser bestämmer växlingen av 20 vanliga aminosyrarester i polypeptider ställdes först av G. Gamow 1954.

Baserat på ett experiment där de studerade interaktionerna mellan insertioner och deletioner av ett par nukleotider i en av generna från T4-bakteriofagen, bestämde F. Crick och andra forskare 1961 de allmänna egenskaperna hos den genetiska koden: tripletitet, dvs. varje aminosyrarest i polypeptidkedjan motsvarar en uppsättning av tre baser (triplett eller kodon) i en gens DNA; kodon i en gen läses från en fast punkt, i en riktning och "utan kommatecken", det vill säga kodonen är inte åtskilda av några tecken från varandra; degeneration eller redundans - samma aminosyrarest kan kodas av flera kodon (synonyma kodon). Författarna antog att kodonen inte överlappar varandra (varje bas tillhör endast ett kodon). Direkt studie av kodningskapaciteten hos tripletter fortsatte med användning av ett cellfritt proteinsyntessystem under kontroll av syntetiskt budbärar-RNA (mRNA). År 1965 dechiffrerades den genetiska koden helt i verk av S. Ochoa, M. Nirenberg och H. G. Korana. Att reda ut den genetiska kodens hemligheter var en av biologins enastående prestationer under 1900-talet.

Implementeringen av den genetiska koden i en cell sker under två matrisprocesser - transkription och translation. Mediatorn mellan genen och proteinet är mRNA, som bildas vid transkription på en av DNA-strängarna. I detta fall "skrivs om" sekvensen av DNA-baser, som bär information om proteinets primära struktur, i form av en sekvens av mRNA-baser. Sedan, under translation på ribosomer, läses nukleotidsekvensen av mRNA:n av överförings-RNA (tRNA). De senare har en acceptorände, till vilken en aminosyrarest är fäst, och en adapterände, eller antikodontriplett, som känner igen motsvarande mRNA-kodon. Interaktionen mellan ett kodon och ett antikodon sker på basis av komplementär basparning: Adenin (A) - Uracil (U), Guanin (G) - Cytosin (C); i detta fall översätts mRNA:ts bassekvens till aminosyrasekvensen för det syntetiserade proteinet. Olika organismer använder olika synonyma kodoner med olika frekvenser för samma aminosyra. Avläsning av mRNA som kodar för polypeptidkedjan börjar (initieras) med AUG-kodonet som motsvarar aminosyran metionin. Mindre vanligt, i prokaryoter, är initieringskodonen GUG (valin), UUG (leucin), AUU (isoleucin), och i eukaryoter - UUG (leucin), AUA (isoleucin), ACG (treonin), CUG (leucin). Detta ställer in den så kallade ramen, eller fasen, för avläsning under translation, det vill säga att hela nukleotidsekvensen av mRNA:t läses triplett för triplett av tRNA tills något av de tre terminatorkodonen, ofta kallade stoppkodon, påträffas på mRNA: UAA, UAG, UGA (tabell). Avläsning av dessa tripletter leder till fullbordandet av syntesen av polypeptidkedjan.

AUG- och stoppkodon visas i början och slutet av regionerna av mRNA-kodande polypeptider.

Den genetiska koden är nästan universell. Det betyder att det finns små variationer i betydelsen av vissa kodon mellan objekt, och det gäller i första hand terminatorkodon, vilket kan vara signifikant; till exempel, i mitokondrierna hos vissa eukaryoter och mykoplasmer, kodar UGA för tryptofan. Dessutom, i vissa mRNA från bakterier och eukaryoter, kodar UGA för en ovanlig aminosyra - selenocystein, och UAG i en av arkebakterierna - pyrrolysin.

Det finns en synpunkt enligt vilken den genetiska koden uppstod av en slump (hypotesen om "fryst chans"). Det är mer troligt att det har utvecklats. Detta antagande stöds av att det finns en enklare och tydligen äldre version av koden, som läses i mitokondrier enligt "två av tre"-regeln, när aminosyran bestäms av endast två av de tre baserna i trillingen.

Lit.: Crick F. N. a. O. Generell karaktär av den genetiska koden för proteiner // Nature. 1961. Vol. 192; Den genetiska koden. N.Y., 1966; Ichas M. Biologisk kod. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Hur den genetiska koden läses: regler och undantag // Modern naturvetenskap. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. Genetisk kod som ett system // Soros utbildningstidskrift. 2000. T. 6. Nr 3.

S. G. Inge-Vechtomov.

Den genetiska koden förstås vanligtvis som ett system av tecken som indikerar det sekventiella arrangemanget av nukleotidföreningar i DNA och RNA, vilket motsvarar ett annat teckensystem som visar sekvensen av aminosyraföreningar i en proteinmolekyl.

Det är viktigt!

När forskare lyckades studera egenskaperna hos den genetiska koden, erkändes universalitet som en av de viktigaste. Ja, hur konstigt det än låter, allt förenas av en, universell, gemensam genetisk kod. Den bildades under en lång tid, och processen avslutades för cirka 3,5 miljarder år sedan. Följaktligen kan spår av dess utveckling spåras i kodens struktur, från dess tillkomst till idag.

När vi talar om sekvensen av arrangemang av element i den genetiska koden, menar vi att den är långt ifrån kaotisk, men har en strikt definierad ordning. Och detta bestämmer också till stor del egenskaperna hos den genetiska koden. Detta motsvarar arrangemanget av bokstäver och stavelser i ord. När vi väl bryter mot den vanliga ordningen kommer det mesta av det vi läser på sidorna i böcker eller tidningar att förvandlas till löjligt gobbledygook.

Grundläggande egenskaper hos den genetiska koden

Vanligtvis innehåller koden viss information krypterad på ett speciellt sätt. För att dechiffrera koden måste du känna till de utmärkande egenskaperna.

Så huvudegenskaperna hos den genetiska koden är:

• triplicitet;
• degeneration eller redundans;
• entydighet;
• kontinuitet;
• den mångsidighet som redan nämnts ovan.

Låt oss ta en närmare titt på varje fastighet.

1. Trippel

Detta är när tre nukleotidföreningar bildar en sekventiell kedja i en molekyl (dvs DNA eller RNA). Som ett resultat skapas en triplettförening eller kodar för en av aminosyrorna, dess placering i peptidkedjan.

Kodon (de är också kodord!) kännetecknas av deras sekvens av anslutningar och av typen av de kvävehaltiga föreningar (nukleotider) som är en del av dem.

Inom genetiken är det vanligt att särskilja 64 kodontyper. De kan bilda kombinationer av fyra typer av nukleotider, 3 i varje. Detta motsvarar att höja siffran 4 till tredje potens. Således är bildningen av 64 nukleotidkombinationer möjlig.

2. Redundans av den genetiska koden

Denna egenskap observeras när flera kodon krävs för att kryptera en aminosyra, vanligtvis i intervallet 2-6. Och endast tryptofan kan kodas med en triplett.

3. Entydighet

Det ingår i egenskaperna hos den genetiska koden som en indikator på hälsosamt genetiskt arv. Till exempel kan GAA-tripletten, som ligger på sjätte plats i kedjan, berätta för läkare om blodets goda tillstånd, om normalt hemoglobin. Det är han som bär information om hemoglobin, och det är också kodat av det. Och om en person har anemi, ersätts en av nukleotiderna med en annan bokstav i koden - U, som är en signal om sjukdomen.

4. Kontinuitet

När man registrerar denna egenskap hos den genetiska koden, bör man komma ihåg att kodoner, som länkar i en kedja, inte är belägna på avstånd, utan i direkt närhet, en efter en i nukleinsyrakedjan, och denna kedja är inte avbruten - den har ingen början eller slut.

5. Mångsidighet

Vi får aldrig glömma att allt på jorden är förenat av en gemensam genetisk kod. Och därför, hos primater och människor, hos insekter och fåglar, i ett hundra år gammalt baobabträd och ett grässtrå som knappt har kommit upp ur marken, kodas liknande trillingar av liknande aminosyror.

Det är i gener som den grundläggande informationen om en viss organisms egenskaper finns, ett slags program som organismen ärver från de som levde tidigare och som finns som en genetisk kod.