منحصر به فرد بودن کد ژنتیکی در این واقعیت آشکار می شود که. کد ژنتیکی چیست: اطلاعات عمومی. قاعده انحطاط و طرد

کد ژنتیکی موجودات مختلف دارای چند ویژگی مشترک است:
1) سه گانه. برای ثبت هر گونه اطلاعات از جمله اطلاعات ارثی از رمز خاصی استفاده می شود که عنصر آن یک حرف یا نماد است. مجموعه چنین نمادهایی الفبا را تشکیل می دهند. پیام های فردی با ترکیبی از کاراکترها به نام گروه های کد یا کدون نوشته می شوند. یک الفبای معروف که فقط از دو کاراکتر تشکیل شده است، کد مورس است. در DNA 4 حرف وجود دارد - حروف اول نام بازهای نیتروژنی (A، G، T، C)، به این معنی که الفبای ژنتیکی تنها از 4 کاراکتر تشکیل شده است. گروه کد یا کلمه ای از کد ژنتیکی چیست؟ 20 اسید آمینه پایه شناخته شده وجود دارد که محتوای آنها باید با کد ژنتیکی نوشته شود، یعنی 4 حرف باید 20 کلمه رمز را ارائه دهد. فرض کنید یک کلمه از یک کاراکتر تشکیل شده است، سپس فقط 4 گروه کد دریافت می کنیم. اگر کلمه از دو کاراکتر تشکیل شده باشد، تنها 16 گروه وجود خواهد داشت و این به وضوح برای رمزگذاری 20 اسید آمینه کافی نیست. بنابراین، کلمه رمز باید حداقل شامل 3 نوکلئوتید باشد که 64 (43) ترکیب را ایجاد می کند. این تعداد ترکیب سه گانه برای رمزگذاری تمام اسیدهای آمینه کاملاً کافی است. بنابراین، یک کدون از کد ژنتیکی سه گانه نوکلئوتید است.
2) انحطاط (زائدگی) یک ویژگی کد ژنتیکی است که از یک طرف شامل سه قلوهای زائد یعنی مترادف ها و از طرف دیگر سه قلوهای "بی معنی" است. از آنجایی که کد شامل 64 ترکیب است و تنها 20 اسید آمینه رمزگذاری شده است، برخی از اسیدهای آمینه توسط چندین سه قلو (آرژنین، سرین، لوسین - شش؛ والین، پرولین، آلانین، گلیسین، ترئونین - چهار، ایزولوسین - سه، فنیل آلانین،) کدگذاری می شوند. تیروزین، هیستیدین، لیزین، آسپاراژین، گلوتامین، سیستئین، آسپارتیک و اسیدهای گلوتامیک - دو متیونین و تریپتوفان. برخی از گروه‌های کد (UAA، UAG، UGA) به هیچ وجه بار معنایی را حمل نمی‌کنند، یعنی سه‌قلوهای «بی‌معنی» هستند. کدون های "بی معنی" یا مزخرف به عنوان پایان دهنده های زنجیره ای عمل می کنند - علائم نقطه گذاری در متن ژنتیکی - به عنوان سیگنالی برای پایان سنتز زنجیره پروتئین عمل می کنند. این افزونگی کد برای افزایش قابلیت اطمینان انتقال اطلاعات ژنتیکی اهمیت زیادی دارد.
3) عدم همپوشانی. کدهای سه گانه هرگز همپوشانی ندارند، یعنی همیشه با هم پخش می شوند. هنگام خواندن اطلاعات از یک مولکول DNA، استفاده از پایه نیتروژنی یک سه قلو در ترکیب با بازهای سه قلو دیگر غیرممکن است.
4) عدم ابهام هیچ موردی وجود ندارد که یک سه گانه مشابه با بیش از یک اسید مطابقت داشته باشد.
5) عدم وجود علائم جداکننده در داخل ژن. کد ژنتیکی از یک مکان خاص بدون کاما خوانده می شود.
6) تطبیق پذیری در انواع مختلف موجودات زنده (ویروس ها، باکتری ها، گیاهان، قارچ ها و حیوانات)، سه قلوهای مشابه اسیدهای آمینه مشابهی را رمزگذاری می کنند.
7) ویژگی گونه. تعداد و توالی بازهای نیتروژنی در زنجیره DNA از ارگانیسمی به موجود دیگر متفاوت است.

کد ژنتیکی- سیستمی برای ثبت اطلاعات ژنتیکی در DNA (RNA) به شکل توالی خاصی از نوکلئوتیدها یک توالی مشخص از نوکلئوتیدها در DNA و RNA مربوط به یک توالی معینی از اسیدهای آمینه در زنجیره های پلی پپتیدی پروتئین ها است. نوشتن کد با استفاده از حروف بزرگ الفبای روسی یا لاتین مرسوم است. هر نوکلئوتید با حرفی که نام پایه نیتروژنی موجود در مولکول آن شروع می شود مشخص می شود: A (A) - آدنین، G (G) - گوانین، C (C) - سیتوزین، T (T) - تیمین. در RNA به جای تیمینوراسیل - U (U). توالی نوکلئوتیدی توالی ادغام AK در پروتئین سنتز شده را تعیین می کند.

ویژگی های کد ژنتیکی:

1. سه گانه- یک واحد معنی دار کد ترکیبی از سه نوکلئوتید (سه گانه یا کدون) است.
2. تداوم- بین سه قلوها هیچ علامت نگارشی وجود ندارد، یعنی اطلاعات به طور مداوم خوانده می شود.
3. عدم همپوشانی- همان نوکلئوتید نمی تواند به طور همزمان بخشی از دو یا چند سه قلو باشد (برای برخی از ژن های همپوشانی ویروس ها، میتوکندری ها و باکتری هایی که چندین پروتئین تغییر قاب را کد می کنند مشاهده نشده است).
4. عدم ابهام(ویژگی) - یک کدون خاص فقط با یک اسید آمینه مطابقت دارد (اما کدون UGA در Euplotescrassus دو اسید آمینه - سیستئین و سلنوسیستئین را رمزگذاری می کند)
5. انحطاط(زیادی) - چندین کدون می توانند با یک اسید آمینه مشابه مطابقت داشته باشند.
6. تطبیق پذیری- کد ژنتیکی در موجودات با سطوح مختلف پیچیدگی یکسان عمل می کند - از ویروس ها گرفته تا انسان ها (روش های مهندسی ژنتیک بر این اساس است؛ تعدادی استثنا وجود دارد که در جدول در بخش "تغییرهای کد ژنتیکی استاندارد" نشان داده شده است. زیر).

شرایط بیوسنتز

بیوسنتز پروتئین به اطلاعات ژنتیکی از مولکول DNA نیاز دارد. RNA پیام رسان - حامل این اطلاعات از هسته تا محل سنتز. ریبوزوم ها - اندامک هایی که سنتز پروتئین در آنها اتفاق می افتد. مجموعه ای از اسیدهای آمینه در سیتوپلاسم؛ انتقال RNA هایی که اسیدهای آمینه را رمزگذاری می کنند و آنها را به محل سنتز روی ریبوزوم منتقل می کند. ATP ماده ای است که انرژی را برای فرآیند رمزگذاری و بیوسنتز فراهم می کند.

مراحل

رونویسی- فرآیند بیوسنتز انواع RNA در ماتریس DNA که در هسته اتفاق می افتد.

بخش خاصی از مولکول DNA از بین می رود، پیوندهای هیدروژنی بین دو زنجیره تحت تأثیر آنزیم ها از بین می رود. در یک رشته DNA، مانند یک الگو، یک کپی RNA از نوکلئوتیدها مطابق با اصل مکمل سنتز می شود. بسته به بخش DNA، RNA های ریبوزومی، حمل و نقل و پیام رسان به این روش سنتز می شوند.

پس از سنتز mRNA، از هسته خارج شده و به سیتوپلاسم فرستاده می شود و به محل سنتز پروتئین روی ریبوزوم می رسد.

پخش- فرآیند سنتز زنجیره های پلی پپتیدی که بر روی ریبوزوم ها انجام می شود، جایی که mRNA یک واسطه در انتقال اطلاعات در مورد ساختار اولیه پروتئین است.

بیوسنتز پروتئین شامل یک سری واکنش است.

1. فعال سازی و کدگذاری اسیدهای آمینه. tRNA به شکل یک برگ شبدر است که در حلقه مرکزی آن یک آنتی کدون سه گانه وجود دارد که مربوط به کد یک اسید آمینه خاص و کدون موجود در mRNA است. هر اسید آمینه با استفاده از انرژی ATP به tRNA مربوطه متصل می شود. یک کمپلکس tRNA-اسید آمینه تشکیل می شود که وارد ریبوزوم ها می شود.

2. تشکیل کمپلکس mRNA-ریبوزوم. mRNA در سیتوپلاسم توسط ریبوزوم ها در ER گرانول متصل می شود.

3. مونتاژ زنجیره پلی پپتیدی. tRNA با اسیدهای آمینه، طبق اصل مکمل بودن آنتی کدون-کدون، با mRNA ترکیب شده و وارد ریبوزوم می شود. در مرکز پپتیدی ریبوزوم، یک پیوند پپتیدی بین دو اسید آمینه تشکیل می شود و tRNA آزاد شده از ریبوزوم خارج می شود. در این حالت، mRNA هر بار یک سه گانه پیش می رود، یک tRNA جدید - یک اسید آمینه معرفی می کند و tRNA آزاد شده را از ریبوزوم حذف می کند. کل فرآیند توسط انرژی ATP تامین می شود. یک mRNA می تواند با چندین ریبوزوم ترکیب شود و پلی زومی را تشکیل دهد، جایی که بسیاری از مولکول های یک پروتئین به طور همزمان سنتز می شوند. سنتز زمانی به پایان می رسد که کدون های بی معنی (کدهای توقف) روی mRNA شروع شوند. ریبوزوم ها از mRNA جدا می شوند و زنجیره های پلی پپتیدی از آنها جدا می شوند. از آنجایی که کل فرآیند سنتز روی شبکه آندوپلاسمی دانه ای انجام می شود، زنجیره های پلی پپتیدی حاصل وارد لوله های ER می شوند، جایی که ساختار نهایی خود را به دست می آورند و به مولکول های پروتئین تبدیل می شوند.

تمام واکنش های سنتز توسط آنزیم های ویژه با صرف انرژی ATP کاتالیز می شوند. سرعت سنتز بسیار زیاد است و به طول پلی پپتید بستگی دارد. به عنوان مثال، در ریبوزوم اشریشیا کلی، پروتئینی متشکل از 300 اسید آمینه در حدود 15-20 ثانیه سنتز می شود.

ژن- یک واحد ساختاری و عملکردی وراثت که رشد یک صفت یا ویژگی خاص را کنترل می کند. والدین مجموعه‌ای از ژن‌ها را در طول تولیدمثل به فرزندان خود منتقل می‌کنند.

در حال حاضر، در زیست‌شناسی مولکولی مشخص شده است که ژن‌ها بخش‌هایی از DNA هستند که نوعی اطلاعات کامل را حمل می‌کنند - در مورد ساختار یک مولکول پروتئین یا یک مولکول RNA. این مولکول ها و سایر مولکول های عملکردی رشد، رشد و عملکرد بدن را تعیین می کنند.

در عین حال، هر ژن با تعدادی توالی DNA تنظیمی خاص، مانند پروموترها، مشخص می شود که مستقیماً در تنظیم بیان ژن نقش دارند. توالی های تنظیمی می توانند یا در مجاورت قاب خواندن باز که یک پروتئین را کد می کند، یا در ابتدای یک توالی RNA قرار گیرند، همانطور که در مورد پروموترها (به اصطلاح سیس عناصر نظارتی سیسو در فواصل میلیون‌ها جفت باز (نوکلئوتید)، مانند تقویت‌کننده‌ها، عایق‌ها و سرکوب‌کننده‌ها (گاهی اوقات به عنوان طبقه‌بندی می‌شوند. ترانسعناصر نظارتی، انگلیسی. عناصر فرا تنظیمی). بنابراین، مفهوم ژن تنها به ناحیه کد کننده DNA محدود نمی شود، بلکه مفهوم گسترده تری است که شامل توالی های تنظیمی نیز می شود.

در اصل این اصطلاح ژنبه عنوان یک واحد نظری برای انتقال اطلاعات ارثی گسسته ظاهر شد. تاریخ زیست شناسی اختلافاتی را در مورد اینکه کدام مولکول ها می توانند حامل اطلاعات ارثی باشند را به یاد می آورد. اکثر محققان بر این باور بودند که فقط پروتئین ها می توانند چنین حامل هایی باشند، زیرا ساختار آنها (20 اسید آمینه) امکان ایجاد انواع بیشتری را نسبت به ساختار DNA که تنها از چهار نوع نوکلئوتید تشکیل شده است، می دهد. بعداً به طور تجربی ثابت شد که این DNA است که شامل اطلاعات ارثی است که به عنوان جزم اصلی زیست شناسی مولکولی بیان شد.

ژن ها می توانند دچار جهش شوند - تغییرات تصادفی یا هدفمند در توالی نوکلئوتیدها در زنجیره DNA. جهش می تواند منجر به تغییر در توالی و در نتیجه تغییر در ویژگی های بیولوژیکی پروتئین یا RNA شود که به نوبه خود می تواند منجر به تغییر کلی یا موضعی عملکرد غیر طبیعی بدن شود. چنین جهش هایی در برخی موارد بیماری زا هستند، زیرا منجر به بیماری یا کشنده در سطح جنینی می شوند. با این حال، همه تغییرات در توالی نوکلئوتیدی منجر به تغییر در ساختار پروتئین (به دلیل تأثیر انحطاط کد ژنتیکی) یا تغییر قابل توجهی در توالی نمی شود و بیماری زا نیستند. به طور خاص، ژنوم انسان با پلی مورفیسم های تک نوکلئوتیدی و تغییرات تعداد کپی مشخص می شود. تغییرات تعداد کپی)، مانند حذف و تکرار، که حدود 1٪ از کل توالی نوکلئوتیدی انسان را تشکیل می دهد. پلی مورفیسم های تک نوکلئوتیدی، به ویژه، آلل های مختلف یک ژن را تعریف می کنند.

مونومرهایی که هر یک از زنجیره های DNA را تشکیل می دهند، ترکیبات آلی پیچیده ای هستند که شامل بازهای نیتروژنی هستند: آدنین (A) یا تیمین (T) یا سیتوزین (C) یا گوانین (G)، قند پنج اتمی پنتوز دئوکسی ریبوز، که به نام و خود DNA و همچنین باقیمانده اسید فسفریک به این ترکیبات نوکلئوتید می گویند.

خواص ژن

1. گسستگی - غیرقابل اختلاط ژن ها؛
2. ثبات - توانایی حفظ ساختار؛
3. بی ثباتی - توانایی جهش مکرر؛
4. آللیسم چندگانه - ژن های زیادی در یک جمعیت در اشکال مولکولی متعدد وجود دارند.
5. آللیسیته - در ژنوتیپ ارگانیسم های دیپلوئید فقط دو شکل از ژن وجود دارد.
6. ویژگی - هر ژن ویژگی خاص خود را رمزگذاری می کند.
7. پلیوتروپی - اثر چندگانه یک ژن؛
8. بیانگر - درجه بیان یک ژن در یک صفت؛
9. نفوذ - فراوانی تظاهرات یک ژن در یک فنوتیپ.
10. تقویت - افزایش تعداد نسخه های یک ژن.

طبقه بندی

1. ژن‌های ساختاری اجزای منحصربه‌فردی از ژنوم هستند که نشان‌دهنده یک توالی واحد هستند که یک پروتئین خاص یا انواع خاصی از RNA را کد می‌کند. (همچنین به مقاله ژن های خانه داری مراجعه کنید).
2. ژن های عملکردی - عملکرد ژن های ساختاری را تنظیم می کند.

کد ژنتیکی- روشی که مشخصه همه موجودات زنده برای رمزگذاری توالی اسید آمینه پروتئین ها با استفاده از دنباله ای از نوکلئوتیدها است.

DNA از چهار نوکلئوتید استفاده می کند - آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C)، تیمین (T) که در ادبیات روسی با حروف A، G، C و T مشخص شده اند. این حروف الفبای الفبای را تشکیل می دهند. کد ژنتیکی. RNA از همان نوکلئوتیدها استفاده می کند، به استثنای تیمین، که با یک نوکلئوتید مشابه - اوراسیل جایگزین می شود که با حرف U (U در ادبیات روسی) مشخص می شود. در مولکول‌های DNA و RNA، نوکلئوتیدها به صورت زنجیره‌ای قرار می‌گیرند و به این ترتیب، دنباله‌ای از حروف ژنتیکی به‌دست می‌آیند.

کد ژنتیکی

برای ساخت پروتئین در طبیعت از 20 اسید آمینه مختلف استفاده می شود. هر پروتئین یک زنجیره یا چندین زنجیره از اسیدهای آمینه در یک توالی کاملاً مشخص است. این توالی ساختار پروتئین و در نتیجه تمام خواص بیولوژیکی آن را تعیین می کند. مجموعه اسیدهای آمینه نیز تقریباً برای همه موجودات زنده جهانی است.

پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی در سلول های زنده (یعنی سنتز پروتئین کدگذاری شده توسط یک ژن) با استفاده از دو فرآیند ماتریکس انجام می شود: رونویسی (یعنی سنتز mRNA روی ماتریس DNA) و ترجمه کد ژنتیکی. به یک توالی اسید آمینه (سنتز یک زنجیره پلی پپتیدی بر روی mRNA). سه نوکلئوتید متوالی برای رمزگذاری 20 اسید آمینه و همچنین سیگنال توقف نشان دهنده پایان دنباله پروتئین کافی است. به مجموعه ای از سه نوکلئوتید سه گانه می گویند. اختصارات پذیرفته شده مربوط به اسیدهای آمینه و کدون ها در شکل نشان داده شده است.

خواص

1. سه گانه- یک واحد معنی دار کد ترکیبی از سه نوکلئوتید (سه گانه یا کدون) است.
2. تداوم- بین سه قلوها هیچ علامت نگارشی وجود ندارد، یعنی اطلاعات به طور مداوم خوانده می شود.
3. غیر همپوشانی- همان نوکلئوتید نمی تواند به طور همزمان بخشی از دو یا چند سه قلو باشد (برای برخی از ژن های همپوشانی ویروس ها، میتوکندری ها و باکتری ها که چندین پروتئین تغییر چارچوب را رمزگذاری می کنند، مشاهده نشده است).
4. منحصر به فرد بودن (خاصیت)- یک کدون خاص فقط مربوط به یک اسید آمینه است (اما کدون UGA دارد Euplotes crassusرمزگذاری دو اسید آمینه - سیستئین و سلنوسیستئین)
5. انحطاط (زیادی)- چندین کدون می توانند با یک اسید آمینه مشابه مطابقت داشته باشند.
6. تطبیق پذیری- کد ژنتیکی در موجودات با سطوح مختلف پیچیدگی یکسان عمل می کند - از ویروس ها گرفته تا انسان ها (روش های مهندسی ژنتیک بر این اساس است؛ تعدادی استثنا وجود دارد که در جدول در بخش "تغییرهای کد ژنتیکی استاندارد" نشان داده شده است. زیر).
7. ایمنی سر و صدا- جهش های جایگزین های نوکلئوتیدی که منجر به تغییر در کلاس اسید آمینه کدگذاری شده نمی شوند، نامیده می شوند. محافظه کار; جهش های جایگزین نوکلئوتیدی که منجر به تغییر در کلاس اسید آمینه کدگذاری شده می شود نامیده می شود. افراطی.

بیوسنتز پروتئین و مراحل آن

بیوسنتز پروتئین- یک فرآیند پیچیده چند مرحله ای از سنتز یک زنجیره پلی پپتیدی از بقایای اسید آمینه که روی ریبوزوم سلول های موجودات زنده با مشارکت مولکول های mRNA و tRNA رخ می دهد.

بیوسنتز پروتئین را می توان به مراحل رونویسی، پردازش و ترجمه تقسیم کرد. در طول رونویسی، اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده در مولکول های DNA خوانده می شود و این اطلاعات در مولکول های mRNA نوشته می شود. در طی یک سری مراحل پردازش متوالی، برخی از قطعات که در مراحل بعدی غیر ضروری هستند از mRNA حذف می شوند و توالی های نوکلئوتیدی ویرایش می شوند. پس از انتقال کد از هسته به ریبوزوم ها، سنتز واقعی مولکول های پروتئین با اتصال باقی مانده های اسید آمینه منفرد به زنجیره پلی پپتیدی در حال رشد اتفاق می افتد.

بین رونویسی و ترجمه، مولکول mRNA دستخوش یک سری تغییرات متوالی می شود که بلوغ ماتریکس عملکردی را برای سنتز زنجیره پلی پپتیدی تضمین می کند. یک کلاه به انتهای 5' و یک دم poly-A به انتهای 3' وصل شده است که باعث افزایش طول عمر mRNA می شود. با ظهور پردازش در سلول یوکاریوتی، ترکیب اگزون های ژن برای به دست آوردن تنوع بیشتری از پروتئین های کدگذاری شده توسط یک توالی منفرد از نوکلئوتیدهای DNA - پیوند جایگزین امکان پذیر شد.

ترجمه شامل سنتز یک زنجیره پلی پپتیدی مطابق با اطلاعات رمزگذاری شده در RNA پیام رسان است. توالی اسید آمینه با استفاده از مرتب شده است حمل و نقل RNA (tRNA)، که با آمینو اسیدها کمپلکس تشکیل می دهد - aminoacyl-tRNA. هر آمینو اسید tRNA مخصوص به خود را دارد که دارای یک آنتی کدون مربوطه است که با کدون mRNA مطابقت دارد. در طول ترجمه، ریبوزوم در امتداد mRNA حرکت می کند و با انجام این کار، زنجیره پلی پپتیدی رشد می کند. انرژی برای بیوسنتز پروتئین توسط ATP تامین می شود.

سپس مولکول پروتئین تمام شده از ریبوزوم جدا می شود و به محل مورد نظر در سلول منتقل می شود. برای دستیابی به حالت فعال خود، برخی از پروتئین ها نیاز به اصلاحات اضافی پس از ترجمه دارند.

کد ژنتیکی روشی برای رمزگذاری توالی اسیدهای آمینه در یک مولکول پروتئین با استفاده از توالی نوکلئوتیدها در یک مولکول اسید نوکلئیک است. خواص کد ژنتیکی از ویژگی های این کدگذاری ناشی می شود.

هر اسید آمینه پروتئین با سه نوکلئوتید اسید نوکلئیک متوالی مطابقت دارد - سه قلو، یا کدون. هر نوکلئوتید می تواند حاوی یکی از چهار باز نیتروژن باشد. در RNA این است آدنین(آ)، اوراسیل(U) گوانین(G) سیتوزین(ج). با ترکیب بازهای نیتروژنی (در این مورد، نوکلئوتیدهای حاوی آنها) به روش‌های مختلف، می‌توانید سه‌قلوهای مختلف زیادی بدست آورید: AAA، GAU، UCC، GCA، AUC و غیره. تعداد کل ترکیب‌های ممکن 64، یعنی 4 3 است.

پروتئین موجودات زنده حاوی حدود 20 اسید آمینه است. اگر طبیعت "برنامه ریزی" می کرد که هر اسید آمینه را نه با سه، بلکه با دو نوکلئوتید رمزگذاری کند، آنگاه تنوع چنین جفت ها کافی نبود، زیرا تنها 16 مورد از آنها وجود دارد، یعنی. 4 2.

بدین ترتیب، ویژگی اصلی کد ژنتیکی سه گانه بودن آن است. هر اسید آمینه توسط یک سه قلو نوکلئوتید کدگذاری می شود.

از آنجایی که سه قلوهای مختلف به طور قابل توجهی نسبت به اسیدهای آمینه مورد استفاده در مولکول های بیولوژیکی وجود دارد، ویژگی زیر در طبیعت زنده محقق شده است: افزونگیکد ژنتیکی. بسیاری از اسیدهای آمینه نه با یک کدون، بلکه توسط چندین کدون شروع به کدگذاری کردند. به عنوان مثال، اسید آمینه گلیسین توسط چهار کدون مختلف رمزگذاری می شود: GGU، GGC، GGA، GGG. افزونگی نیز نامیده می شود انحطاط.

مطابقت بین اسیدهای آمینه و کدون ها در جداول نشان داده شده است. مثلاً اینها:

در رابطه با نوکلئوتیدها، کد ژنتیکی دارای ویژگی زیر است: عدم ابهام(یا اختصاصی): هر کدون فقط مربوط به یک اسید آمینه است. به عنوان مثال، کدون GGU فقط می تواند گلیسین و هیچ اسید آمینه دیگری را کد کند.

از نو. افزونگی به این معنی است که چندین سه قلو می توانند یک اسید آمینه را کد کنند. ویژگی - هر کدون خاص می تواند تنها برای یک اسید آمینه کد کند.

هیچ علامت نگارشی خاصی در کد ژنتیکی وجود ندارد (به جز کدون های توقف که نشان دهنده پایان سنتز پلی پپتید هستند). عملکرد علائم نگارشی توسط خود سه قلوها انجام می شود - پایان یکی به این معنی است که دیگری شروع می شود. این به دو خاصیت کد ژنتیکی زیر اشاره دارد: تداومو غیر همپوشانی. تداوم به خواندن سه قلوها بلافاصله پس از هم اشاره دارد. عدم همپوشانی به این معنی است که هر نوکلئوتید می تواند تنها بخشی از یک سه گانه باشد. بنابراین اولین نوکلئوتید سه گانه بعدی همیشه بعد از نوکلئوتید سوم سه گانه قبلی می آید. یک کدون نمی تواند با نوکلئوتید دوم یا سوم کدون قبلی شروع شود. به عبارت دیگر، کد با هم همپوشانی ندارد.

کد ژنتیکی دارای خاصیت است تطبیق پذیری. برای همه موجودات روی زمین یکسان است که نشان دهنده وحدت منشأ حیات است. در این مورد استثناهای بسیار نادری وجود دارد. به عنوان مثال، برخی از سه قلوها در میتوکندری ها و کلروپلاست ها اسیدهای آمینه ای غیر از اسیدهای آمینه معمول خود را رمزگذاری می کنند. این ممکن است نشان دهد که در سپیده دم زندگی تغییرات کمی متفاوت از کد ژنتیکی وجود داشته است.

در نهایت، کد ژنتیکی دارد ایمنی سر و صدا، که نتیجه خاصیت آن به عنوان افزونگی است. جهش‌های نقطه‌ای که گاهی در DNA رخ می‌دهند، معمولاً منجر به جایگزینی یک باز نیتروژنی با پایه دیگر می‌شوند. این سه قلو را تغییر می دهد. به عنوان مثال، AAA بود، اما پس از جهش به AAG تبدیل شد. با این حال، چنین تغییراتی همیشه منجر به تغییر اسید آمینه در پلی پپتید سنتز شده نمی شود، زیرا هر دو سه قلو، به دلیل خاصیت افزونگی کد ژنتیکی، می توانند با یک اسید آمینه مطابقت داشته باشند. با توجه به اینکه جهش ها اغلب مضر هستند، خاصیت ایمنی در برابر صدا مفید است.

کد ژنتیکی(یونانی، geneticos مربوط به منشاء؛ syn.: کد، کد بیولوژیکی، کد اسید آمینه، کد پروتئین، کد اسید نوکلئیک) - سیستمی برای ثبت اطلاعات ارثی در مولکول های اسیدهای نوکلئیک حیوانات، گیاهان، باکتری ها و ویروس ها با توالی متناوب نوکلئوتیدها.

اطلاعات ژنتیکی (شکل) از سلولی به سلول دیگر، از نسلی به نسل دیگر، به استثنای ویروس‌های حاوی RNA، از طریق تکثیر مولکول‌های DNA منتقل می‌شود (به تکرار مراجعه کنید). اجرای اطلاعات ارثی DNA در طول زندگی یک سلول از طریق 3 نوع RNA انجام می شود: اطلاعاتی (mRNA یا mRNA)، ریبوزومی (rRNA) و حمل و نقل (tRNA)، که با استفاده از آنزیم RNA پلیمراز روی DNA به عنوان یک ترکیب سنتز می شوند. ماتریس در این مورد، توالی نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA به طور منحصر به فرد توالی نوکلئوتیدها را در هر سه نوع RNA تعیین می کند (به رونویسی مراجعه کنید). اطلاعات ژن (نگاه کنید به)، که یک مولکول پروتئین را کد می کند، تنها توسط mRNA حمل می شود. محصول نهایی اجرای اطلاعات ارثی، سنتز مولکول های پروتئین است که ویژگی آن توسط توالی اسیدهای آمینه موجود در آنها تعیین می شود (به ترجمه مراجعه کنید).

از آنجایی که DNA یا RNA تنها حاوی 4 باز نیتروژنی مختلف است [در DNA - آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G)، سیتوزین (C). در RNA - آدنین (A)، اوراسیل (U)، سیتوزین (C)، گوانین (G)]، که توالی آن توالی 20 اسید آمینه را در پروتئین تعیین می کند، مشکل GK به وجود می آید، یعنی مشکل ترجمه الفبای 4 حرفی اسیدهای نوکلئیک به یک الفبای 20 حرفی از پلی پپتیدها.

برای اولین بار، ایده سنتز ماتریس مولکول های پروتئین با پیش بینی صحیح خواص یک ماتریس فرضی توسط N.K Koltsov در سال 1928 فرموله شد انتقال خصوصیات ارثی در طی تبدیل در پنوموکوک. در سال 1948، E. Chargaff نشان داد که در تمام مولکول های DNA یک برابری کمی از نوکلئوتیدهای مربوطه (A-T، G-C) وجود دارد. در سال 1953، F. Crick، J. Watson و M. H. F. Wilkins، بر اساس این قاعده و داده های پراش اشعه ایکس (نگاه کنید به)، به این نتیجه رسیدند که مولکول های DNA یک مارپیچ دوتایی هستند که از دو رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که توسط هیدروژن به یکدیگر متصل شده اند. اوراق قرضه. علاوه بر این، تنها T می‌تواند در برابر A یک زنجیره در زنجیره دوم باشد، و تنها C می‌تواند در برابر G باشد. دومین نتیجه قابل توجهی که از این مدل به دست می آید این است که مولکول DNA قادر به بازتولید خود است.

در سال 1954، G. Gamow مسئله معادلات هندسی را به شکل مدرن آن فرموله کرد. در سال 1957، F. Crick فرضیه آداپتور را بیان کرد، و پیشنهاد کرد که اسیدهای آمینه با اسید نوکلئیک نه به طور مستقیم، بلکه از طریق واسطه ها (که اکنون به عنوان tRNA شناخته می شود) برهم کنش می کنند. در سالهای پس از آن، تمام پیوندهای اساسی در طرح کلی انتقال اطلاعات ژنتیکی، که در ابتدا فرضی بودند، به صورت تجربی تایید شدند. در سال 1957، mRNA ها کشف شدند [A. S. Spirin، A. N. Belozersky و همکاران. فولکین و آستراچان (E. Volkin، L. Astrachan)] و tRNA [هوگلند (M.V. Hoagland)]؛ در سال 1960، DNA خارج از سلول با استفاده از ماکرومولکول های DNA موجود به عنوان یک ماتریس (A. Kornberg) سنتز شد و سنتز RNA وابسته به DNA کشف شد [S. Weiss et al.]. در سال 1961، یک سیستم عاری از سلول ایجاد شد که در آن مواد پروتئین مانند در حضور RNA طبیعی یا پلی ریبونوکلئوتیدهای مصنوعی سنتز شدند [M. نیرنبرگ و ماتایی (J. H. Matthaei)]. مشکل شناخت کد شامل مطالعه خصوصیات کلی کد و در واقع رمزگشایی آن بود، یعنی یافتن اینکه کدام ترکیبات نوکلئوتیدها (کدون ها) اسیدهای آمینه خاصی را رمزگذاری می کنند.

خصوصیات کلی کد مستقل از رمزگشایی آن و عمدتاً قبل از آن با تجزیه و تحلیل الگوهای مولکولی تشکیل جهش ها روشن شد (F. Krick et al., 1961; N.V. Luchnik, 1963). آنها به موارد زیر خلاصه می شوند:

1. رمز جهانی است، یعنی حداقل اساساً برای همه موجودات زنده یکسان است.

2. کد سه گانه است، یعنی هر اسید آمینه توسط یک سه قلو نوکلئوتید کدگذاری می شود.

3. کد غیر همپوشانی است، یعنی یک نوکلئوتید داده شده نمی تواند بخشی از بیش از یک کدون باشد.

4. کد انحطاط است، یعنی یک اسید آمینه می تواند توسط چندین سه قلو رمزگذاری شود.

5. اطلاعات مربوط به ساختار اولیه پروتئین از mRNA به صورت متوالی خوانده می شود و از یک نقطه ثابت شروع می شود.

6. بیشتر سه قلوهای احتمالی «حس» دارند، یعنی اسیدهای آمینه را کد می کنند.

7. از سه "حروف" یک کدون، تنها دو حرف (اجباری) معنای غالب دارند، در حالی که حرف سوم (اختیاری) به طور قابل توجهی حاوی اطلاعات کمتری است.

رمزگشایی مستقیم کد شامل مقایسه توالی نوکلئوتیدی در ژن ساختاری (یا mRNA سنتز شده روی آن) با توالی اسید آمینه در پروتئین مربوطه است. با این حال، چنین مسیری هنوز از نظر فنی امکان پذیر نیست. دو روش دیگر مورد استفاده قرار گرفت: سنتز پروتئین در یک سیستم بدون سلول با استفاده از پلی ریبونوکلئوتیدهای مصنوعی با ترکیب شناخته شده به عنوان ماتریس و تجزیه و تحلیل الگوهای مولکولی تشکیل جهش (نگاه کنید به). اولی نتایج مثبتی را زودتر به ارمغان آورد و از نظر تاریخی نقش زیادی در رمزگشایی G.k ایفا کرد.

در سال 1961، M. Nirenberg و Mattei از یک همو پلیمر به عنوان ماتریس - پلی اوریدیل اسید مصنوعی (یعنی RNA مصنوعی از ترکیب UUUU...) استفاده کردند و پلی فنیل آلانین را به دست آوردند. از این نتیجه حاصل شد که کدون فنیل آلانین از چندین U تشکیل شده است، یعنی در مورد یک کد سه گانه، به عنوان UUU رمزگشایی می شود. بعدها در کنار هموپلیمرها از پلی ریبونوکلئوتیدها متشکل از نوکلئوتیدهای مختلف استفاده شد. در عین حال، فقط ترکیب پلیمرها مشخص بود، محل نوکلئوتیدها در آنها آماری بود، بنابراین تجزیه و تحلیل نتایج آماری بود و نتیجه گیری غیرمستقیم داد. به سرعت یافتن حداقل یک سه قلو برای هر 20 اسید آمینه ممکن شد. مشخص شد که وجود حلال‌های آلی، تغییرات pH یا دما، برخی کاتیون‌ها و به‌ویژه آنتی‌بیوتیک‌ها کد را مبهم می‌کنند: همان کدون‌ها شروع به تحریک آمینو اسیدهای دیگر می‌کنند، در برخی موارد یک کدون شروع به رمزگذاری تا چهار اسید آمینه می‌کند. اسیدهای آمینه مختلف استرپتومایسین بر خواندن اطلاعات هم در سیستم‌های بدون سلول و هم در داخل بدن تأثیر می‌گذارد و تنها روی سویه‌های باکتریایی حساس به استرپتومایسین مؤثر بود. در سویه‌های وابسته به استرپتومایسین، خواندن کدون‌هایی را که در نتیجه جهش تغییر کرده بودند، «اصلاح» کرد. نتایج مشابه دلیلی برای تردید در صحت رمزگشایی G. با استفاده از یک سیستم بدون سلول ایجاد کرد. تایید، در درجه اول توسط داده های in vivo مورد نیاز بود.

داده های اصلی در مورد G. in vivo با تجزیه و تحلیل ترکیب اسید آمینه پروتئین ها در ارگانیسم های تیمار شده با جهش زاها (نگاه کنید به) با مکانیسم اثر شناخته شده، به عنوان مثال، نیتروژن، که باعث جایگزینی C با U و A با در به دست آمد. مولکول DNA D. اطلاعات مفیدی نیز با تجزیه و تحلیل جهش های ناشی از جهش زاهای غیر اختصاصی، مقایسه تفاوت در ساختار اولیه پروتئین های مرتبط در گونه های مختلف، ارتباط بین ترکیب DNA و پروتئین ها و غیره ارائه می شود.

رمزگشایی G. به بر اساس داده های in vivo و in vitro نتایج تطبیق داد. بعداً، سه روش دیگر برای رمزگشایی کد در سیستم‌های بدون سلول توسعه یافت: اتصال aminoacyl-tRNA (یعنی tRNA با یک اسید آمینه فعال متصل) با سه نوکلئوتید با ترکیب شناخته شده (M. Nirenberg و همکاران، 1965)، اتصال. آمینواسیل-tRNA با پلی نوکلئوتیدها که با یک سه گانه خاص شروع می شوند (Mattei et al., 1966)، و استفاده از پلیمرها به عنوان mRNA، که در آن نه تنها ترکیب، بلکه ترتیب نوکلئوتیدها نیز مشخص است (X. Korana et al. ، 1965). هر سه روش مکمل یکدیگر هستند و نتایج مطابق با داده‌های به‌دست‌آمده در آزمایش‌های in vivo است.

در دهه 70 قرن 20 روش هایی برای تأیید ویژه نتایج رمزگشایی G.k ظاهر شده است. مشخص شده است که جهش هایی که تحت تأثیر پروفلاوین رخ می دهد شامل از دست دادن یا وارد کردن نوکلئوتیدهای منفرد است که منجر به تغییر در چارچوب خواندن می شود. در فاژ T4، تعدادی جهش توسط پروفلاوین ایجاد شد که در آن ترکیب لیزوزیم تغییر کرد. این ترکیب با آن کدون هایی که باید از تغییر قاب حاصل می شد، تجزیه و تحلیل و مقایسه شد. نتیجه انطباق کامل بود. علاوه بر این، این روش این امکان را فراهم می کند که مشخص شود کدام سه قلو از کد منحط هر یک از اسیدهای آمینه را رمزگذاری می کنند. در سال 1970، J. M. Adams و همکارانش موفق شدند تا حدی G.c را با یک روش مستقیم رمزگشایی کنند: در فاژ R17، توالی بازها در یک قطعه 57 نوکلئوتیدی تعیین شد و با توالی اسید آمینه پروتئین پوشش آن مقایسه شد. . نتایج کاملاً با نتایج به دست آمده با روش های کمتر مستقیم مطابقت داشت. بنابراین، کد به طور کامل و به درستی رمزگشایی شده است.

نتایج رمزگشایی در یک جدول خلاصه شده است. این نشان دهنده ترکیب کدون ها و RNA است. ترکیب آنتی کدون های tRNA مکمل کدون های mRNA است، یعنی به جای Y حاوی A، به جای A - U، به جای C - G و به جای G - C هستند و با کدون های ژن ساختاری (رشته DNA) مطابقت دارد. که اطلاعات از آن خوانده می شود) تنها با این تفاوت که اوراسیل جای تیمین را می گیرد. از 64 سه قلویی که می توانند از ترکیب 4 نوکلئوتید تشکیل شوند، 61 مورد دارای "حس" هستند، یعنی اسیدهای آمینه را رمزگذاری می کنند، و 3 مورد "بی معنی" هستند (بی معنی). رابطه نسبتاً واضحی بین ترکیب سه‌قلوها و معنای آنها وجود دارد که در هنگام تجزیه و تحلیل ویژگی‌های کلی کد کشف شد. در برخی موارد، سه قلوهایی که یک اسید آمینه خاص را رمزگذاری می کنند (به عنوان مثال، پرولین، آلانین) با این واقعیت مشخص می شوند که دو نوکلئوتید اول (اجباری) یکسان هستند و سومین (اختیاری) می تواند هر چیزی باشد. در موارد دیگر (هنگام کدگذاری، به عنوان مثال، آسپاراژین، گلوتامین)، دو سه گانه مشابه معنی یکسانی دارند، که در آن دو نوکلئوتید اول بر هم منطبق هستند و در جای سوم هر پورین یا هر پیریمیدین وجود دارد.

کدون های بی معنی، که 2 تای آنها دارای نام های ویژه ای هستند که مربوط به تعیین جهش یافته های فاژ (UAA-ochre، UAG-amber، UGA-opal) هستند، اگرچه هیچ آمینو اسیدی را رمزگذاری نمی کنند، اما هنگام خواندن اطلاعات اهمیت زیادی دارند و انتهای آن را رمزگذاری می کنند. از زنجیره پلی پپتیدی

خواندن اطلاعات در جهت از 5 1 -> 3 1 - تا انتهای زنجیره نوکلئوتیدی انجام می شود (به اسیدهای دئوکسی ریبونوکلئیک مراجعه کنید). در این حالت، سنتز پروتئین از یک اسید آمینه با یک گروه آمینه آزاد به یک اسید آمینه با یک گروه کربوکسیل آزاد تبدیل می شود. شروع سنتز توسط سه قلوهای AUG و GUG کدگذاری می شود که در این مورد شامل یک آمینواسیل-tRNA شروع خاص، یعنی N-formylmethionyl-tRNA است. همین سه قلوها وقتی در زنجیره قرار می گیرند، به ترتیب متیونین و والین را رمزگذاری می کنند. ابهام با این واقعیت برطرف می شود که شروع خواندن قبل از بیهودگی است. شواهدی وجود دارد که مرز بین نواحی mRNA که پروتئین‌های مختلف را کد می‌کند از بیش از دو سه قلو تشکیل شده است و ساختار ثانویه RNA در این مکان‌ها تغییر می‌کند. این موضوع در دست تحقیق است اگر یک کدون بی معنی در یک ژن ساختاری رخ دهد، پروتئین مربوطه فقط تا محل این کدون ساخته می شود.

کشف و رمزگشایی کد ژنتیکی - دستاورد برجسته زیست شناسی مولکولی - بر همه علوم زیستی تأثیر گذاشت و در برخی موارد آغاز توسعه بخش های بزرگ خاص را نشان داد (به ژنتیک مولکولی مراجعه کنید). تأثیر کشف جی و تحقیقات مربوط به آن با تأثیری که نظریه داروین بر علوم زیستی داشت مقایسه می شود.

جهانی بودن ژنتیک شواهد مستقیمی از جهانی بودن مکانیسم های مولکولی اساسی زندگی در همه نمایندگان جهان آلی است. در این میان، تفاوت های بزرگ در عملکرد دستگاه ژنتیکی و ساختار آن در هنگام گذار از پروکاریوت ها به یوکاریوت ها و از موجودات تک سلولی به چند سلولی احتمالاً با تفاوت های مولکولی مرتبط است که مطالعه آنها یکی از وظایف آینده است. از آنجایی که تحقیقات G. فقط مربوط به سال های اخیر است، اهمیت نتایج به دست آمده برای طب عملی فقط ماهیت غیرمستقیم دارد و به ما امکان می دهد ماهیت بیماری ها و مکانیسم اثر عوامل بیماری زا و مواد دارویی را درک کنیم. با این حال، کشف چنین پدیده هایی مانند تبدیل (نگاه کنید)، انتقال (نگاه کنید)، سرکوب (نگاه کنید)، نشان دهنده امکان اساسی اصلاح اطلاعات ارثی تغییر یافته از نظر آسیب شناختی یا اصلاح آن - به اصطلاح است. مهندسی ژنتیک (نگاه کنید به).

جدول. کد ژنتیکی

* انتهای زنجیره را رمزگذاری می کند.

** شروع زنجیره را نیز رمزگذاری می کند.

کتابشناسی - فهرست کتب: Ichas M. کد بیولوژیکی، ترجمه. از انگلیسی، م.، 1971; کماندار N.B. بیوفیزیک ضایعات سیتوژنتیک و کد ژنتیکی، L.، 1968; ژنتیک مولکولی، ترانس. از انگلیسی، ویرایش. A. N. Belozersky, part 1, M., 1964; اسیدهای نوکلئیک، ترانس. از انگلیسی، ویرایش. A. N. Belozersky، M.، 1965; Watson J.D. بیولوژی مولکولی ژن، ترانس. از انگلیسی، M., 1967; ژنتیک فیزیولوژیکی، ویرایش. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtomova, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v„ E. Geissler, B., 1972; کد ژنتیکی Gold Spr. هارب. علائم مقدار Biol., v. 31, 1966; W o e s e C. R. کد ژنتیکی، N. Y. a. o.، 1967.