Den genetiske kode, udtrykt i kodoner, er et system til kodning af information om strukturen af proteiner, der er iboende i alle levende organismer på planeten. Dets afkodning tog et årti, men det faktum, at det eksisterer, har videnskaben forstået i næsten et århundrede. Universalitet, specificitet, ensrettethed og især degenerationen af den genetiske kode er af stor biologisk betydning.
Opdagelseshistorik
Problemet med at kode genetisk information har altid været et nøgleproblem i biologien. Videnskaben bevægede sig ret langsomt mod matrixstrukturen af den genetiske kode. Siden J. Watson og F. Cricks opdagelse i 1953 af den dobbelte spiralformede struktur af DNA, begyndte stadiet med at optrevle selve kodens struktur, hvilket foranledigede troen på naturens storhed. Den lineære struktur af proteiner og den samme struktur af DNA indebar tilstedeværelsen af en genetisk kode som en overensstemmelse mellem to tekster, men skrevet ved hjælp af forskellige alfabeter. Og hvisproteinernes alfabet var kendt, så blev DNA-tegnene genstand for undersøgelse for biologer, fysikere og matematikere.
Det giver ingen mening at beskrive alle trinene i at løse denne gåde. Et direkte eksperiment, som beviste og bekræftede, at der er en klar og konsekvent overensstemmelse mellem DNA-kodoner og proteinaminosyrer, blev udført i 1964 af C. Janowski og S. Brenner. Og så - perioden med dechifrering af den genetiske kode in vitro (in vitro) ved hjælp af teknikker til proteinsyntese i cellefri strukturer.
Den fuldt dechiffrerede E. coli-kode blev offentliggjort i 1966 ved et symposium for biologer i Cold Spring Harbor (USA). Så blev redundansen (degenerationen) af den genetiske kode opdaget. Hvad dette betyder, blev forklaret ganske enkelt.
Afkodning fortsætter
Indhentning af data om afkodningen af den arvelige kode er blevet en af de vigtigste begivenheder i det sidste århundrede. I dag fortsætter videnskaben med at studere i dybden mekanismerne for molekylære kodninger og dens systemiske træk og en overflod af tegn, som udtrykker egenskaben ved degenerationen af den genetiske kode. En separat studiegren er fremkomsten og udviklingen af kodningssystemet for arveligt materiale. Bevis på forholdet mellem polynukleotider (DNA) og polypeptider (proteiner) gav skub til udviklingen af molekylærbiologi. Og det til gengæld til bioteknologi, bioteknik, opdagelser inden for udvælgelse og afgrødeproduktion.
Dogmer og regler
Molekylærbiologiens hoveddogme - information overføres fra DNA til informationRNA, og derefter fra det til protein. I den modsatte retning er transmission mulig fra RNA til DNA og fra RNA til et andet RNA.
Men matrixen eller grundlaget er altid DNA. Og alle de andre grundlæggende træk ved transmissionen af information er en afspejling af denne matrixkarakter af transmissionen. Nemlig overførsel ved syntese på matrixen af andre molekyler, som vil blive strukturen for reproduktionen af arvelig information.
Genetisk kode
Lineær kodning af strukturen af proteinmolekyler udføres ved hjælp af komplementære kodoner (tripletter) af nukleotider, hvoraf der kun er 4 (adein, guanin, cytosin, thymin (uracil)), som spontant fører til dannelsen af en anden kæde af nukleotider. Det samme antal og kemiske komplementaritet af nukleotider er hovedbetingelsen for en sådan syntese. Men under dannelsen af et proteinmolekyle er der ingen overensstemmelse mellem mængden og kvaliteten af monomerer (DNA-nukleotider er proteinaminosyrer). Dette er den naturlige arvelige kode - et system til registrering i sekvensen af nukleotider (kodoner) sekvensen af aminosyrer i et protein.
Den genetiske kode har flere egenskaber:
- Triplety.
- Uniqueness.
- Orientering.
- Ikke-overlappende.
- Redundans (degeneration) af den genetiske kode.
- Alsidighed.
Lad os give en kort beskrivelse med fokus på den biologiske betydning.
Tripleitet, kontinuitet og stoplys
Hver af de 61 aminosyrer svarer til en semantisk triplet (trippel) af nukleotider. Tre tripletter bærer ikke information om aminosyren og er stopkodoner. Hvert nukleotid i kæden er en del af en triplet og eksisterer ikke alene. I slutningen og i begyndelsen af kæden af nukleotider, der er ansvarlige for ét protein, er der stopkodoner. De starter eller stopper translation (syntesen af et proteinmolekyle).
Specifik, ikke-overlappende og ensrettet
Hver codon (triplet) koder kun for én aminosyre. Hver triplet er uafhængig af naboen og overlapper ikke. Et nukleotid kan kun inkluderes i en triplet i kæden. Proteinsyntese går altid kun i én retning, som reguleres af stopkodoner.
Redundanser af den genetiske kode
Hver triplet af nukleotider koder for én aminosyre. Der er 64 nukleotider i alt, hvoraf 61 koder for aminosyrer (sansekodoner), og tre er meningsløse, det vil sige, at de ikke koder for en aminosyre (stopkodoner). Redundansen (degenerationen) af den genetiske kode ligger i, at der i hver triplet kan foretages substitutioner - radikale (fører til aminosyreerstatning) og konservative (ændrer ikke aminosyreklassen). Det er let at beregne, at hvis der kan foretages 9 substitutioner i en triplet (position 1, 2 og 3), kan hvert nukleotid erstattes af 4 - 1=3 andre muligheder, så vil det samlede antal mulige nukleotidsubstitutionsmuligheder være 61 x 9=549.
Degenerationen af den genetiske kode kommer til udtryk ved, at 549 varianter er meget mere endnødvendigt for at kode information om 21 aminosyrer. På samme tid vil 23 substitutioner ud af 549 varianter føre til dannelsen af stopkodoner, 134 + 230 substitutioner er konservative, og 162 substitutioner er radikale.
Reglen om degeneration og eksklusion
Hvis to kodoner har to identiske første nukleotider, og resten er nukleotider af samme klasse (purin eller pyrimidin), så bærer de information om den samme aminosyre. Dette er reglen om degeneration eller redundans af den genetiske kode. To undtagelser - AUA og UGA - den første koder for methionin, selvom det burde være isoleucin, og den anden er et stopkodon, selvom det skal kode for tryptofan.
Betydningen af degeneration og universalitet
Det er disse to egenskaber ved den genetiske kode, der har den største biologiske betydning. Alle de egenskaber, der er anført ovenfor, er karakteristiske for den arvelige information om alle former for levende organismer på vores planet.
Degenerationen af den genetiske kode har en adaptiv værdi, såsom multiple duplikering af koden for en aminosyre. Derudover betyder dette et fald i betydningen (degeneration) af det tredje nukleotid i kodonet. Denne mulighed minimerer mutationsskader i DNA, hvilket vil føre til grove krænkelser i proteinstrukturen. Dette er forsvarsmekanismen for de levende organismer på planeten.
