Principiile de bază ale codului genetic. Biosinteza proteinelor și acizilor nucleici. Gene, cod genetic. Care este codul genetic

Clasificarea genelor

1) După natura interacțiunii în perechea alelică:

Dominant (o genă capabilă să suprime manifestarea unei gene recesive alelice acesteia); - recesiv (genă, a cărei manifestare este suprimată de gena dominantă alelică la aceasta).

2) Clasificare funcțională:

2) Cod genetic- Acestea sunt anumite combinații de nucleotide și secvența locației lor în molecula de ADN. Aceasta este o modalitate inerentă tuturor organismelor vii de a codifica secvența de aminoacizi a proteinelor folosind o secvență de nucleotide.

ADN-ul folosește patru nucleotide - adenina (A), guanina (G), citozina (C), timina (T), care în literatura rusă sunt desemnate prin literele A, G, T și C. Aceste litere formează alfabetul cod genetic. În ARN, se folosesc aceleași nucleotide, cu excepția timinei, care este înlocuită cu o nucleotidă similară - uracil, care este notat cu litera U (Y în literatura rusă). În moleculele de ADN și ARN, nucleotidele sunt aranjate în lanțuri și, astfel, se obțin secvențe de litere genetice.

Cod genetic

În natură, 20 de aminoacizi diferiți sunt utilizați pentru a construi proteine. Fiecare proteină este un lanț sau mai multe lanțuri de aminoacizi într-o secvență strict definită. Această secvență determină structura proteinei și, prin urmare, toate proprietățile sale biologice. Setul de aminoacizi este, de asemenea, universal pentru aproape toate organismele vii.

Implementarea informațiilor genetice în celulele vii (adică sinteza proteinei codificate de genom) se realizează folosind două procese matriceale: transcripția (adică sinteza ARNm pe o matrice ADN) și traducerea codului genetic. într-o secvență de aminoacizi (sinteza unui lanț polipeptidic pe matricea ARNm). Trei nucleotide consecutive sunt suficiente pentru a codifica 20 de aminoacizi, precum și un semnal de stop, ceea ce înseamnă sfârșitul secvenței de proteine. Un set de trei nucleotide se numește triplet. Abrevierile acceptate corespunzătoare aminoacizilor și codonilor sunt prezentate în figură.

Proprietățile codului genetic

1. Tripletitate- unitatea semnificativă a codului este o combinație de trei nucleotide (triplet sau codon).

2. Continuitate- între triplete nu există semne de punctuație, adică informațiile sunt citite continuu.

3. Discretenie- aceeași nucleotidă nu poate fi inclusă simultan în două sau mai multe triplete.

4. Specificitate- unui anumit codon îi corespunde doar un aminoacid.

5. Degenerare (redundanță)- mai mulți codoni pot corespunde aceluiași aminoacid.

6. Versatilitate - cod genetic funcționează la fel în organisme cu diferite niveluri de complexitate - de la viruși la oameni. (Metodele de inginerie genetică se bazează pe aceasta)

3) transcriere - procesul de sinteză a ARN folosind ca matriță ADN-ul care apare 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. Procesul de sinteză a ARN se desfășoară în direcția de la 5 "- la 3" - sfârșitul, adică de-a lungul lanțului de ADN șablon, ARN polimeraza se mișcă în direcția 3 "-> 5"

Transcripția constă din etapele de inițiere, alungire și terminare.

Inițierea transcripției- un proces complex care depinde de secvența de ADN din apropierea secvenței transcrise (și la eucariote și din regiuni mai îndepărtate ale genomului - amplificatori și silenciatori) și de prezența sau absența diverșilor factori proteici.

Elongaţie- desfacerea în continuare a sintezei de ADN și ARN de-a lungul catenei codificatoare continuă. ea precum și sinteza ADN-ului se realizează în direcția 5-3

Încetarea- de îndată ce polimeraza ajunge la terminator, este imediat scindată din ADN, hibridul local ADN-ARN este distrus și ARN-ul nou sintetizat este transportat din nucleu în citoplasmă, iar transcripția este finalizată.

Prelucrare- un set de reactii care conduc la transformarea produselor primare de transcriere si traducere in molecule functionale. P. sunt expuşi la molecule inactive funcţional-precursori decomp. to-t ribonucleic (ARNt, ARNr, ARNm) și multe altele. proteine.

În procesul de sinteză a enzimelor catabolice (substraturi de scindare) la procariote, are loc sinteza inductibilă a enzimelor. Acest lucru conferă celulei capacitatea de a se adapta la condiții. mediu inconjuratorși economisiți energie prin oprirea sintezei enzimei corespunzătoare în cazul în care nevoia acesteia dispare.
Pentru inducerea sintezei enzimelor catabolice sunt necesare următoarele condiții:

1. O enzimă este sintetizată numai atunci când clivarea substratului corespunzător este necesară pentru celulă.
2. Concentrația substratului în mediu trebuie să depășească un anumit nivel înainte de a se putea forma enzima corespunzătoare.
Mecanismul de reglare a expresiei genelor în Escherichia coli este cel mai bine studiat folosind exemplul operonului lac, care controlează sinteza a trei enzime catabolice care descompun lactoza. Dacă în celulă există multă glucoză și puțină lactoză, promotorul rămâne inactiv, iar proteina represoare este pe operator - transcrierea operonului lac este blocată. Când cantitatea de glucoză din mediu, și deci din celulă, scade și lactoza crește, apar următoarele evenimente: cantitatea de adenozin monofosfat ciclic crește, se leagă de proteina CAP - acest complex activează promotorul la care ARN-ul. polimeraza se leagă; în același timp, un exces de lactoză se combină cu proteina represoare și eliberează operatorul din aceasta - calea pentru ARN polimerază este deschisă și începe transcrierea genelor structurale ale lac-operonului. Lactoza acționează ca un inductor al sintezei acelor enzime care o descompun.

5) Reglarea expresiei genelor la eucariote merge mult mai greu. tipuri diferite celulele unui organism eucariot pluricelular sintetizează un număr de proteine ​​identice și în același timp se deosebesc între ele într-un set de proteine ​​specifice celulelor de acest tip. Nivelul de producție depinde de tipul de celule, precum și de stadiul de dezvoltare a organismului. Reglarea expresiei genelor se realizează la nivelul celulei și la nivelul organismului. Genele celulelor eucariote sunt împărțite în Două tipuri principale: primul determină universalitatea funcțiilor celulare, al doilea determină (definește) funcții celulare specializate. Funcțiile genelor primul grup manifesta în toate celulele... Pentru a îndeplini funcții diferențiate, celulele specializate trebuie să exprime un anumit set de gene.
Cromozomii, genele și operonii celulelor eucariote au o serie de caracteristici structurale și funcționale, ceea ce explică complexitatea expresiei genelor.
1. Operonii celulelor eucariote au mai multe gene - regulatoare, care pot fi localizate în diferiți cromozomi.
2. Genele structurale care controlează sinteza enzimelor unui proces biochimic pot fi concentrate în mai mulți operoni localizați nu numai într-o moleculă de ADN, ci și în mai multe.
3. Secvența complexă a unei molecule de ADN. Există secțiuni informative și neinformative, secvențe informative de nucleotide unice și repetitive.
4. Genele eucariote constau din exoni și introni, iar maturarea i-ARN este însoțită de excizia intronilor din transcriptele ARN primare corespunzătoare (pro-i-ARN), adică. îmbinare.
5. Procesul de transcriere a genelor depinde de starea cromatinei. Compactarea locală a ADN-ului blochează complet sinteza ARN.
6. Transcrierea în celulele eucariote nu este întotdeauna asociată cu translația. ARNm-ul sintetizat poate fi stocat timp îndelungat sub formă de informozomi. Transcrierea și traducerea au loc în compartimente diferite.
7. Unele gene eucariote au o localizare inconsistentă (gene labile sau transpozoni).
8. Metodele de biologie moleculară au relevat efectul inhibitor al proteinelor histonice asupra sintezei i-ARN.
9. În procesul de dezvoltare și diferențiere a organelor, activitatea genelor depinde de hormonii care circulă în organism și provoacă reacții specifice în anumite celule. La mamifere, acțiunea hormonilor sexuali este importantă.
10. La eucariote, 5-10% din gene sunt exprimate la fiecare etapă de ontogeneză, restul trebuie blocat.

6) repararea materialului genetic

Reparație genetică- procesul de eliminare a daunelor genetice și de refacere a aparatului ereditar, care are loc în celulele organismelor vii sub acțiunea unor enzime speciale. Capacitatea celulelor de a repara daune genetice a fost descoperită pentru prima dată în 1949 de geneticianul american A. Kellner. Reparație- o funcție specială a celulelor, care constă în capacitatea de a corecta daune chimice și rupturi în moleculele de ADN deteriorate în timpul biosintezei normale a ADN-ului într-o celulă sau ca urmare a expunerii la agenți fizici sau chimici. Se realizează prin sisteme speciale de enzime ale celulei. O serie de boli ereditare (de exemplu, xeroderma pigmentosa) sunt asociate cu tulburări ale sistemelor de reparare.

tipuri de reparatii:

Repararea directă este cea mai simplă modalitate de a repara deteriorarea ADN-ului, care implică de obicei enzime specifice care sunt capabile să repare rapid (de obicei într-o singură etapă) daunele corespunzătoare, restabilind structura originală a nucleotidelor. Așa acționează, de exemplu, O6-metilguanină-ADN metiltransferaza, care elimină gruparea metil din baza azotată într-unul dintre propriile reziduuri de cisteină.

Cod genetic- un sistem de înregistrare a informaţiei genetice în ADN (ARN) sub forma unei secvenţe specifice de nucleotide.O secvenţă specifică de nucleotide în ADN şi ARN corespunde unei secvenţe specifice de aminoacizi din lanţurile polipeptidice ale proteinelor. Se obișnuiește să scrieți codul folosind majuscule ale alfabetului rus sau latin. Fiecare nucleotidă este desemnată printr-o literă cu care începe denumirea bazei azotate incluse în molecula sa: A (A) - adenină, G (G) - guanină, C (C) - citozină, T (T) - timină; în ARN în loc de timinauracil - U (U). Secvența de nucleotide determină secvența de încorporare a AA în proteina sintetizată.

Proprietățile codului genetic:

1. Triplet- unitatea semnificativă a codului este o combinație de trei nucleotide (triplet sau codon).
2. Continuitate- între triplete nu există semne de punctuație, adică informațiile sunt citite continuu.
3. Nesuprapunere- aceeași nucleotidă nu poate fi inclusă simultan în două sau mai multe triplete (nu se observă pentru unele gene suprapuse ale virușilor, mitocondriilor și bacteriilor, care codifică mai multe proteine ​​care sunt citite cu o schimbare de cadru).
4. Neambiguitate(specificitate) - un anumit codon corespunde unui singur aminoacid (cu toate acestea, codonul UGA din Euplotescrassus codifică doi aminoacizi - cisteină și selenocisteină)
5. Degenerescenta(redundanță) - mai mulți codoni pot corespunde aceluiași aminoacid.
6. Versatilitate- codul genetic funcționează în același mod în organisme cu diferite niveluri de complexitate - de la viruși la oameni (metodele de inginerie genetică se bazează pe aceasta; există o serie de excepții, prezentate în tabelul din „Variații ale codului genetic standard " secțiunea de mai jos).

Condiții de biosinteză

Pentru biosinteza proteinelor este necesară informația genetică a moleculei de ADN; ARN informațional - purtătorul acestei informații de la nucleu la locul de sinteză; ribozomi - organele în care are loc sinteza proteinelor în sine; un set de aminoacizi în citoplasmă; transportă ARN-uri care codifică aminoacizi și le transferă la locul de sinteză pe ribozomi; ATP este o substanță care furnizează energie pentru procesul de codificare și biosinteză.

Etape

Transcriere- procesul de biosinteză a tuturor tipurilor de ARN pe matricea ADN, care are loc în nucleu.

O anumită parte a moleculei de ADN este despiralizată, legăturile de hidrogen dintre cele două lanțuri sunt distruse prin acțiunea enzimelor. Pe o catenă de ADN, ca pe un șablon, o copie de ARN este sintetizată din nucleotide pe baza principiului complementar. În funcție de secțiunea de ADN, ARN-urile ribozomale, de transport, informaționale sunt sintetizate în acest fel.

După sinteza ARNm, acesta părăsește nucleul și este trimis în citoplasmă la locul sintezei proteinelor de pe ribozomi.

Difuzare- procesul de sinteză a lanțurilor polipeptidice, efectuat pe ribozomi, unde ARNm este un intermediar în transmiterea informațiilor despre structura primară a proteinei.

Biosinteza proteinelor constă într-o serie de reacții.

1. Activarea și codificarea aminoacizilor. ARNt arată ca o frunză de trifoi, în bucla centrală a căreia se află un anticodon triplet corespunzător codului unui anumit aminoacid și codonului de pe ARNm. Fiecare aminoacid se combină cu ARNt-ul corespunzător prin energia ATP. Se formează un complex tARN-aminoacid, care intră în ribozomi.

2. Formarea complexului ARNm-ribozom. ARNm din citoplasmă este legat de ribozomi de pe EPS granular.

3. Asamblarea lanțului polipeptidic. ARNt cu aminoacizi, conform principiului complementarității anticodonului cu un codon, se combină cu ARNm și intră în ribozom. În centrul peptidic al ribozomului, se formează o legătură peptidică între cei doi aminoacizi, iar ARNt-ul eliberat părăsește ribozomul. În acest caz, ARNm-ul mută de fiecare dată câte un triplet, introducând un nou ARNt - aminoacid și scoțând ARNt-ul eliberat din ribozom. Întregul proces este alimentat de energie ATP. Un ARNm se poate combina cu mai mulți ribozomi, formând un polizom, în care multe molecule ale unei proteine ​​sunt sintetizate simultan. Sinteza se termină atunci când codonii fără sens (coduri stop) încep pe ARNm. Ribozomii sunt separați de ARNm și lanțurile polipeptidice sunt îndepărtate din ei. Întrucât întregul proces de sinteză are loc pe reticulul endoplasmatic granular, lanțurile polipeptidice formate intră în tubii EPS, unde capătă structura finală și se transformă în molecule proteice.

Toate reacțiile de sinteză sunt catalizate de enzime speciale cu consumul de energie ATP. Rata de sinteză este foarte mare și depinde de lungimea polipeptidei. De exemplu, în ribozomul E. coli, o proteină de 300 de aminoacizi este sintetizată în aproximativ 15-20 de secunde.

Toate caracteristicile morfologice, anatomice și funcționale ale oricărei celule vii și organism în ansamblu sunt determinate de structura proteinelor specifice care alcătuiesc celulele. Capacitatea de a sintetiza numai proteine ​​strict definite este o proprietate ereditară a organismelor. Secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic - structura primară a unei proteine, de care depind și proprietățile sale biologice - este determinată de secvența nucleotidelor din moleculele de ADN. Acesta din urmă este custodele informațiilor ereditare din celule.

Secvența de nucleotide din lanțul de ADN polinucleotid este foarte specifică pentru fiecare celulă și este cod genetic, prin care se înregistrează informații despre sinteza anumitor proteine. Aceasta înseamnă că în ADN, fiecare mesaj este codificat cu o secvență specifică de patru caractere - A, G, T, C, la fel cum un mesaj scris este codificat cu caractere (litere) ale alfabetului sau codului Morse. Codul genetic este triplet, adică fiecare aminoacid este codificat de o combinație cunoscută de trei nucleotide adiacente, numite codon... Este ușor de calculat că numărul de combinații posibile de patru nucleotide din trei va fi 64.

S-a dovedit că codul este plural sau „degenerat”, adică același aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni tripleți (de la 2 la b), în timp ce fiecare triplet codifică doar un aminoacid, de exemplu, în limbajul ARN mesager:

• fenilalanină - UUU, UUC;
• izoleucină - AUU, AUC, AUA;
• prolina - CCU, CCC, CCA, CCG;
• serină - UCU, UCT-uri, UCA, UCG, ASU, AGC.

În afară de asta, codul este nesuprapune, t. s. aceeași nucleotidă nu poate fi inclusă simultan în două triplete adiacente. Și, în cele din urmă, acest cod este fără virgule, ceea ce înseamnă că, dacă o nucleotidă lipsește, atunci următoarea nucleotidă din codonul adiacent îi va lua locul în timpul citirii, ceea ce va schimba întreaga ordine de citire. Prin urmare, citirea corectă a codului din ARN-ul mesager este asigurată teleco dacă este citit dintr-un punct strict definit. Codonii de început din moleculă și ARN sunt tripleții AUG și GU G.

Codul nucleotidelor este universal pentru toate organismele vii și viruși: aceleași tripleți codifică aceiași aminoacizi... Această descoperire este un pas serios către o înțelegere mai profundă a esenței materiei vii, deoarece universalitatea codului genetic mărturisește unitatea originii tuturor organismelor vii. Până în prezent, tripleții au fost descifrați pentru toți cei 20 de aminoacizi care alcătuiesc proteinele naturale. Prin urmare, cunoscând ordinea de aranjare a tripleților într-o moleculă de ADN (codul genetic), este posibil să se stabilească ordinea de aranjare a aminoacizilor într-o proteină.

Într-o moleculă de ADN, secvența de aminoacizi pentru multe proteine ​​poate fi codificată. Un segment funcțional al unei molecule de ADN care poartă informații despre structura unei polipeptide sau a unei molecule de ARN se numește genomului... Există gene structurale în care informațiile sunt codificate pentru sinteza proteinelor structurale și enzimatice și gene cu informații pentru sinteza ARNt, ARNr etc.

COD GENETIC, sistem de înregistrare a informațiilor ereditare sub forma unei secvențe de baze de nucleotide din moleculele de ADN (la unele virusuri - ARN), care determină structura primară (locația resturilor de aminoacizi) în moleculele proteice (polipeptide). Problema codului genetic a fost formulată după demonstrarea rolului genetic al ADN-ului (microbiologii americani O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) și decodificarea structurii acestuia (J. Watson, F. Crick, 1953), după stabilirea că genele determină structura și funcția enzimelor (principiul „o genă - o enzimă” de J. Beadle și E. Tatem, 1941) și că există o dependență a structurii și activității spațiale a unei proteine ​​de structura sa primară ( F. Senger, 1955). Întrebarea despre modul în care combinațiile a 4 baze de acizi nucleici determină alternanța a 20 de reziduuri comune de aminoacizi în polipeptide a fost pusă pentru prima dată de G. Gamow în 1954.

Pe baza unui experiment în care a fost investigată interacțiunea inserțiilor și delețiilor unei perechi de nucleotide, într-una dintre genele bacteriofagului T4, F. Crick și alți oameni de știință au determinat în 1961 proprietățile generale ale codului genetic: tripletitatea adică fiecare rest de aminoacid din lanţul polipeptidic corespunde unui set de trei baze (triplet sau codon) în ADN-ul unei gene; citirea codonilor în cadrul unei gene merge dintr-un punct fix, într-o direcție și „fără virgule”, adică codonii nu sunt separați prin niciun semn unul de celălalt; degenerare sau redundanță - același reziduu de aminoacizi poate fi codificat de mai mulți codoni (codoni sinonimi). Autorii au presupus că codonii nu se suprapun (fiecare bază aparține unui singur codon). Studiul direct al capacității de codare a tripleților a fost continuat folosind un sistem de sinteză a proteinelor fără celule sub controlul ARN mesager sintetic (ARNm). Până în 1965, codul genetic a fost complet descifrat în lucrările lui S. Ochoa, M. Nirenberg și H. G. Korana. Dezvăluirea secretelor codului genetic a fost una dintre realizările remarcabile ale biologiei în secolul al XX-lea.

Implementarea codului genetic în celulă are loc în cursul a două procese matriceale - transcripție și traducere. Mediatorul dintre genă și proteină este ARNm, care se formează în timpul transcripției pe una dintre catenele de ADN. În acest caz, secvența de baze ADN, care poartă informații despre structura primară a proteinei, este „rescrisă” sub forma unei secvențe de baze de ARNm. Apoi, în timpul translației pe ribozomi, secvența de nucleotide ARNm este citită de ARN-uri de transport (ARNt). Acestea din urmă au un capăt acceptor, la care este atașat un rest de aminoacid și un capăt adaptor, sau anticodon-triplet, care recunoaște codonul ARNm corespunzător. Interacțiunea codonului și anti-codonului are loc pe baza împerecherii de baze complementare: Adenină (A) - Uracil (U), Guanină (G) - Citozină (C); secvența bazelor ARNm este convertită în secvența de aminoacizi a proteinei sintetizate. Diferite organisme folosesc codoni sinonimi diferiți cu frecvențe diferite pentru același aminoacid. Citirea ARNm care codifică lanțul polipeptidic începe (este inițiată) de la codonul AUG corespunzător aminoacidului metionină. Mai rar, la procariote, codonii de inițiere sunt GUG (valină), UUG (leucină), AUU (izoleucină), la eucariote - UUG (leucină), AUA (izoleucină), ACG (treonină), CUG (leucină). Aceasta stabilește așa-numitul cadru, sau fază, de citire în timpul translației, adică atunci întreaga secvență de nucleotide a ARNm este citită triplet cu triplet de ARNt până când oricare dintre cei trei codoni terminatori, adesea numiți codoni stop, sunt întâlniți pe ARNm: UAA, UAG, UGA (tabel). Citirea acestor tripleți duce la finalizarea sintezei lanțului polipeptidic.

Codonii AUG și codonii stop sunt localizați, respectiv, la începutul și, respectiv, la sfârșitul regiunilor ARNm care codifică polipeptide.

Codul genetic este cvasi-universal. Aceasta înseamnă că există mici variații ale semnificației unor codoni în diferite obiecte, iar aceasta se referă, în primul rând, la codonii terminatori, care pot avea sens; de exemplu, în mitocondriile unor eucariote și în micoplasme, UGA codifică triptofan. În plus, în unele ARNm de bacterii și eucariote, UGA codifică un aminoacid neobișnuit, selenocisteină și UAG într-una dintre arhee, pirolizina.

Există un punct de vedere conform căruia codul genetic a apărut întâmplător (ipoteza „cazului înghețat”). Este mai probabil să fi evoluat. Această presupunere este susținută de existența unei versiuni mai simple și, aparent, mai vechi a codului, care se citește în mitocondrii conform regulii „două din trei”, când un aminoacid este determinat doar de două din trei baze. într-un triplet.

Lit.: Crick F. N. și. O. Natura generală a codului genetic pentru proteine ​​// Nature. 1961. Vol. 192; Codul genetic. N. Y. 1966; Ichas M. Cod biologic. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Cum se citește codul genetic: reguli și excepții // Modern Natural Science. M., 2000. T. 8; Ratner V.A.Cod genetic ca sistem // Jurnal educațional Soros. 2000. T. 6. Nr. 3.

S. G. Inge-Vechtomov.

COD GENETIC(greacă, genetikos referindu-se la origine; sin.: cod, cod biologic, cod aminoacizi, cod proteine, cod acid nucleic) - un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic ale animalelor, plantelor, bacteriilor și virușilor prin alternarea secvenței de nucleotide.

Informația genetică (Fig.) De la celulă la celulă, de la generație la generație, cu excepția virusurilor care conțin ARN, se transmite prin duplicarea moleculelor de ADN (vezi Replicare). Informația ereditară a ADN-ului în procesul vieții celulare este realizată prin intermediul a 3 tipuri de ARN: informațional (ARNm sau ARNm), ribozomal (ARNr) și de transport (ARNt), care sunt sintetizate pe ADN ca pe un șablon folosind ARN polimeraza enzimă. În acest caz, secvența de nucleotide dintr-o moleculă de ADN determină în mod unic secvența de nucleotide în toate cele trei tipuri de ARN (vezi Transcriere). Informația genei (vezi) care codifică o moleculă de proteină este transportată numai de ARNm. Produsul final al realizării informațiilor ereditare este sinteza moleculelor de proteine, a căror specificitate este determinată de secvența aminoacizilor lor (vezi. Traducere).

Deoarece ADN-ul sau ARN-ul contine doar 4 baze azotate diferite [in ADN - adenina (A), timina (T), guanina (G), citozina (C); în ARN - adenină (A), uracil (U), citozină (C), guanină (G)], a cărei secvență determină secvența a 20 de aminoacizi din proteină, se pune problema lui G. to., adică , problema traducerii acidului nucleic cu 4 litere ale alfabetului în-t într-un alfabet de 20 de litere de polipeptide.

Pentru prima dată, ideea unei sinteze matrice a moleculelor de proteine ​​cu o predicție corectă a proprietăților unei matrice ipotetice a fost formulată de N.K.... În 1948 E. Chargaff a arătat că în toate moleculele de ADN există o egalitate cantitativă a nucleotidelor corespunzătoare (A-T, G-C). În 1953 F. Crick, J. Watson și Wilkins (M. HF Wilkins), pornind de la această regulă și datele analizei structurale cu raze X (vezi), au ajuns la concluzia că moleculele de ADN sunt un dublu helix format din două polinucleotide. fire legate prin legături de hidrogen. Mai mult decât atât, numai T poate fi în al doilea lanț față de A și doar C față de G. Această complementaritate duce la faptul că secvența de nucleotide a unui lanț determină în mod unic secvența celuilalt. A doua concluzie semnificativă care rezultă din acest model este că molecula de ADN este capabilă de auto-reproducere.

În 1954 G. Gamow a formulat problema lui G. to. În forma sa modernă. În 1957, F. Crick a exprimat ipoteza adaptorului, sugerând că aminoacizii interacționează cu acidul nucleic nu direct, ci prin intermediari (cunoscut acum ca tARN). În anii care au urmat, toate legăturile fundamentale schema generala transferurile de informații genetice, inițial ipotetice, au fost confirmate experimental. În 1957, ARNm-urile au fost descoperite [A. S. Spirin, A. N. Belozersky şi colab.; Folkin și Astrakhan (E. Volkin, L. Astrachan)] și ARNt [Hoagland (MV Hoagland)]; în 1960, ADN-ul a fost sintetizat în afara celulei folosind macromoleculele de ADN existente ca matrice (A. Kornberg) și a fost descoperită sinteza ARN dependentă de ADN [Weiss (S. B. Weiss) și colab.]. În 1961, a fost creat un sistem fără celule, într-o tăietură, în prezența ARN-ului natural sau a poliribonucleotidelor sintetice, s-a realizat sinteza substanțelor asemănătoare proteinelor [M. J. H. Matthaei]. Problema cunoașterii lui G. to. Constă în studierea proprietăților generale ale codului și decodificarea efectivă a acestuia, adică în a afla ce combinații de nucleotide (codoni) codifică anumiți aminoacizi.

Proprietățile generale ale codului au fost elucidate indiferent de decodificarea acestuia și în principal înaintea acestuia prin analizarea legilor moleculare ale formării mutațiilor (F. Crick și colab., 1961; N.V. Luchnik, 1963). Ele se rezumă la următoarele:

1. Codul este universal, adică este identic, cel puțin în principal, pentru toate ființele vii.

2. Codul este triplet, adică fiecare aminoacid este codificat de un triplet de nucleotide.

3. Codul nu se suprapune, adică o dată nucleotidă nu poate fi inclusă în mai mult de un codon.

4. Codul este degenerat, adică un aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete.

5. Informațiile despre structura primară a proteinei sunt citite din ARNm secvenţial, pornind de la un punct fix.

6. Majoritatea tripleților posibili au un „sens”, adică codifică pentru aminoacizi.

7. Dintre cele trei „litere” ale codonului, doar două (obligatoriu) au o semnificație predominantă, în timp ce a treia (opțională) poartă mult mai puține informații.

Decodificarea directă a codului ar consta în compararea secvenței de nucleotide din gena structurală (sau ARNm sintetizat pe aceasta) cu secvența de aminoacizi din proteina corespunzătoare. Cu toate acestea, această cale este încă imposibilă din punct de vedere tehnic. Au fost utilizate alte două moduri: sinteza proteinelor într-un sistem fără celule folosind poliribonucleotide artificiale cu compoziție cunoscută ca matrice și analiza modelelor moleculare de formare a mutațiilor (vezi). Primul a adus rezultate pozitive mai devreme și din punct de vedere istoric a jucat un rol important în descifrarea lui G. să.

În 1961, M. Nirenberg și Mattei au folosit un homo-polimer - poliuridil sintetic la - care (adică, compoziția de ARN artificial UUUU ...) ca matrice și au obținut polifenilalanină. Din aceasta a rezultat că codonul fenilalanină este format din mai mulți Y, adică, în cazul unui cod triplet, este descifrat ca UUU. Ulterior, alături de homopolimeri, au fost utilizate poliribonucleotide constând din diferite nucleotide. În acest caz, se cunoștea doar compoziția polimerilor, dispunerea nucleotidelor în ei a fost statistică, prin urmare analiza rezultatelor a fost statistică și a dat concluzii indirecte. Destul de repede, am reușit să găsim cel puțin un triplet pentru toți cei 20 de aminoacizi. S-a dovedit că prezența solvenților organici, modificările pH-ului sau temperaturii, unii cationi și mai ales antibiotice fac codul ambiguu: aceiași codoni încep să stimuleze includerea altor aminoacizi, în unele cazuri un codon a început să codifice până la patru. diferiți aminoacizi. Streptomicina a influențat citirea informațiilor atât în ​​sistemele fără celule, cât și in vivo și a fost eficientă numai asupra tulpinilor bacteriene sensibile la streptomicina. La tulpinile dependente de streptomicina, a „corectat” citirea de la codoni care s-au modificat ca urmare a mutației. Rezultate similare au dat motive să ne îndoim de corectitudinea descifrării lui G. la. Folosind un sistem fără celule; a fost necesară confirmarea, în primul rând prin date in vivo.

Datele de bază despre G. to. In vivo au fost obținute prin analiza compoziției de aminoacizi a proteinelor în organismele tratate cu mutageni (vezi) cu un mecanism de acțiune cunoscut, de exemplu, azotat până la-care, marginile din molecula de ADN provoacă înlocuirea lui C cu U și A cu G. Informatii utile oferă, de asemenea, o analiză a mutațiilor cauzate de mutageni nespecifici, o comparație a diferențelor în structura primară a proteinelor înrudite în tipuri diferite, corelația dintre compoziția ADN-ului și a proteinelor etc.

Decodificarea lui G. la. Pe baza datelor in vivo și in vitro a dat aceleași rezultate. Ulterior, au fost dezvoltate alte trei metode de decodificare a codului în sistemele libere: legarea aminoacil-ARNt (adică, tARN cu un aminoacid activat atașat) cu trinucleotide de compoziție cunoscută (M. Nirenberg și colab., 1965), legarea aminoacil-ARNt cu polinucleotide începând cu un anumit triplet (Mattei și colab., 1966) și utilizarea polimerilor ca ARNm, în care este cunoscută nu numai compoziția, ci și ordinea nucleotidelor (X. Korana și colab. , 1965). Toate cele trei metode se completează reciproc, iar rezultatele sunt în acord cu datele obținute în experimente in vivo.

În anii 70. Secolului 20 au apărut metode de verificare deosebit de fiabile a rezultatelor decodării G. se știe că mutațiile care apar sub influența proflavinei constau în pierderea sau inserarea nucleotidelor individuale, ceea ce duce la o schimbare a cadrului de citire. În fagul T4, o serie de mutații au fost cauzate de proflavină, în care compoziția lizozimului s-a schimbat. Această compoziție a fost analizată și comparată cu acei codoni care ar fi trebuit să fie obținuți cu o schimbare în cadrul de citire. S-a dovedit a fi un meci complet. În plus, această metodă a făcut posibil să se stabilească exact ce tripleți ai codului degenerat codifică fiecare dintre aminoacizi. În 1970, JM Adams împreună cu colegii au reușit să descifreze parțial G. to. Printr-o metodă directă: în fagul R17, a fost determinată secvența bazelor dintr-un fragment de 57 de nucleotide în lungime și a fost comparată cu secvența de aminoacizi a proteinei din coaja acestuia. Rezultatele au fost în total acord cu cele obţinute prin metode mai puţin directe. Astfel, codul a fost decriptat complet și corect.

Rezultatele decriptării sunt rezumate în tabel. Conține compoziția de codoni și ARN. Compoziția anticodonilor de ARNt este complementară codonilor de ARNm, adică în loc de Y conțin A, în loc de A - Y, în loc de C - G și în loc de G - C, și corespunde codonilor genei structurale (acea ADN). fir din care se citește informația) cu singura diferență că uracilul ia locul timinei. Din cele 64 de tripleți care se pot forma prin combinarea a 4 nucleotide, 61 au „sens”, adică codifică pentru aminoacizi, iar 3 sunt „prostii” (fără sens). Există o relație destul de clară între compoziția tripleților și semnificația lor, care a fost descoperită chiar și în timpul analizei proprietăților generale ale codului. În unele cazuri, tripleții care codifică un anumit aminoacid (de exemplu, prolină, alanină) sunt caracterizați prin faptul că primele două nucleotide (obligate) sunt aceleași, iar a treia (opțional) poate fi oricare. În alte cazuri (când se codifică, de exemplu, asparagină, glutamină), două triplete similare au aceeași semnificație, în care primele două nucleotide coincid, iar orice purină sau orice pirimidină este în locul celei de-a treia.

Codoni prostii, dintre care 2 au denumiri speciale corespunzând denumirii fagilor mutanți (UAA-ocru, UAG-chihlimbar, UGA-opal), deși nu codifică niciun aminoacid, dar sunt de mare importanță în citirea informațiilor, codificând capătul lanțului polipeptidic...

Informațiile se citesc în direcția de la 5 1 -> 3 1 - până la sfârșitul lanțului nucleotidic (vezi. Acizi dezoxiribonucleici). În acest caz, sinteza proteinelor trece de la un aminoacid cu o grupare amino liberă la un aminoacid cu o grupare carboxil liberă. Începutul sintezei este codificat de tripleții AUG și GUG, care în acest caz includ un aminoacil-ARNt de pornire specific, și anume N-formilmetionil-ARNt. Aceleași tripleți, atunci când sunt localizați în lanț, codifică metionina și, respectiv, valina. Ambiguitatea este înlăturată de faptul că începutul lecturii este precedat de prostii. Există dovezi că granița dintre regiunile ARNm care codifică diferite proteine ​​constă din mai mult de doi tripleți și că structura secundară a ARN-ului se modifică în aceste locuri; această problemă este în curs de investigare. Dacă un codon nonsens apare într-o genă structurală, atunci proteina corespunzătoare este construită numai până la locația acestui codon.

Descoperirea și decodificarea codului genetic - o realizare remarcabilă a biologiei moleculare - a influențat întreaga biologie, științe, într-o serie de cazuri, punând bazele dezvoltării unor secțiuni mari speciale (vezi. Genetica moleculară). Efectul deschiderii lui G. la. Și cercetările conexe este comparat cu efectul pe care l-a avut teoria lui Darwin asupra biol, științei.

Universalitatea lui G. to. Este o dovadă directă a universalității mecanismelor moleculare de bază ale vieții în toți reprezentanții lumii organice. Între timp, diferențele mari în funcțiile aparatului genetic și structura acestuia în timpul tranziției de la procariote la eucariote și de la organisme unicelulare la multicelulare sunt probabil asociate cu diferențele moleculare, al căror studiu este una dintre sarcinile viitorului. Întrucât cercetările lui G. sunt doar o chestiune de anii recenti, semnificația rezultatelor obținute pentru medicina practică este doar de natură indirectă, permițând deocamdată înțelegerea naturii bolilor, a mecanismului de acțiune al agenților patogeni și al substanțelor medicamentoase. Cu toate acestea, descoperirea unor fenomene precum transformarea (vezi), transducția (vezi), suprimarea (vezi), indică posibilitatea fundamentală de corectare a informațiilor ereditare alterate patologic sau corectarea acesteia - așa-numita. inginerie genetică (vezi).

Masa. COD GENETIC

* Codifică sfârșitul lanțului.

** De asemenea, codifică începutul lanțului.

Bibliografie: Ichas M. Cod biologic, trad. din engleză, M., 1971; Archer N.B. Biofizica leziunilor citogenetice și codul genetic, L., 1968; Genetica moleculară, trans. din engleză, ed. A. N. Belozersky, partea 1, M., 1964; Acizi nucleici, trans. din engleză, ed. A. N. Belozersky, M., 1965; Watson J.D. Biologie moleculara genă, trans. din engleză., M., 1967; Genetica fiziologică, ed. M. E. Lobasheva S. G., Inge-Vechtomo-va, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonuc-leins & ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v & E. Geissler, B., 1972; Codul genetic, Gold Spr. Harb. Symp. cuant. Biol., V. 31, 1966; W o e s e C. R. Codul genetic, N. Y. a. o., 1967.