Информация

Сколько возможных кодонов?

Сколько возможных кодонов?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Рассмотрим кодон вида NNK (где N = Аденин Cиттозин, граммуанин или Uracil & K = Uracil или граммуанин). Сколько кодонов сейчас доступно? Я знаю, что если бы все были доступны, было бы 4 ^ 3 = 64 кодона. Сколько сейчас возможно? Когда я пробовал комбинации вручную, я получил 32, это правильно?


Да, 32 - это правильно.

Технически мне нечего добавить, о чем еще не упомянули Херардо Фуртадо и тигр, кроме графический представление всех перестановок может помочь понять это немного лучше.

Для первых 2 позиций в кодоне у нас есть 4 основания на выбор (аденин граммуанин, тырасил и cитозин). Математически это можно представить как 4 x 4 = 16 или визуально как:

Теперь для следующей позиции (интересующей позиции) у нас есть только две базы на выбор (тырасил и граммуанин). Оставляя нас с 4 x 4 x 2 = 32 различными перестановками, или визуально:


Да, это так.

Херардо Фуртадо уже дал краткий ответ в комментариях, но позвольте мне объяснить, почему.

4 ^ 3 = 64, если все базы могут быть выбраны свободно, сводится к 4 * 4 * 4 = 64, потому что вы можете выбирать из 4 вариантов для каждой из 3 баз.

Если вы ограничиваете возможности одной из баз, например есть только 2 варианта для третьей базы (как в вашем примере), формула меняется на 4 * 4 * 2 = 32, так как вы можете выбрать из 4 вариантов для первых 2 баз и из 2 вариантов для 3-й базы.

Изменить: если 2 'N из' NNK 'должны быть одинаковыми, вы можете свободно выбрать первую базу (4 варианта), вторая база уже определена (она должна быть такой же, как первая база, 1 вариант) и есть 2 варианта 3-й базы, как описано выше. Таким образом, мы получаем 4 * 1 * 2 = 8 возможных кодонов

Надеюсь, я смогу это прояснить.


Что такое генетический код?

В генетический код состоит из последовательности азотистых оснований в полинуклеотидной цепи ДНК или РНК. Основания представляют собой аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T) (или урацил, U в РНК). Четыре основы составляют «буклеты» генетического кода. Буквы объединяются в группы по три, чтобы сформировать кодовые & ldquowords, & rdquo, называемые кодоны. Каждый кодон обозначает (кодирует) одну аминокислоту, если он не кодирует сигнал запуска или остановки. В белках 20 общих аминокислот. С четырьмя основаниями, образующими трехосновные кодоны, существует 64 возможных кодона. 61 кодона более чем достаточно для кодирования 20 аминокислот, таким образом, более одного кодона кодируют одну аминокислоту. Пожалуйста, найдите генетические коды в Таблице ( PageIndex <1> ).

Таблица ( PageIndex <1> ): Таблица кодонов. Чтобы найти аминокислоту для определенного кодона, найдите в таблице ячейку для первого, второго и третьего оснований кодона. После того, как вы нашли кодон, вы можете найти соответствующую аминокислоту в соседней ячейке с правой стороны от ячейки кодона. Например, коды CUG для лейцина (Leu), коды AAG для лизина (Lys) и коды GGG для глицина (Gly).
Вторая база U Аминокислота Вторая база C Аминокислота Вторая база A Аминокислота Вторая база G Аминокислота
Первая база U UUU Phe УКУ Сер UAU Тюр UGU Cys Третья база U
Первая база U UUC Phe UCC Сер ОАК Тюр UGC Cys Третья база C
Первая база U UUA Лея УЦА Сер UAA (стоп) нет аминокислоты UGA (стоп) нет аминокислоты Третья база А
Первая база U UUA Лея UCG Сер UAG (стоп) нет аминокислоты UGG Trp Третья база G
Первая база C CUU Лея CCU Pro CAU Его CGU Arg Третья база U
Первая база C CUC Лея CCC Pro САС Его CGC Arg Третья база C
Первая база C CUA Лея CCA Pro CAA Gln CGA Arg Третья база А
Первая база C CUG Лея CCG Pro CAG Gln CGG Arg Третья база G
Первая база А AUU Иль ACU Thr AAU Asn AGU Сер Третья база U
Первая база А AUC Иль АКК Thr AAC Asn AGC Сер Третья база C
Первая база А AUA Иль ACA Thr AAA Lys AGA Arg Третья база А
Первая база А АВГУСТ Встретились (начало) АЧГ Thr AAG Lys AGG Arg Третья база G
Первая база G ГУ Вал GCU Ала ГАУ Жерех ГГУ Gly Третья база U
Первая база G GUC Вал GCC Ала GAC Жерех GGC Gly Третья база C
Первая база G GUA Вал GCA Ала GAA Glu GGA Gly Третья база А
Первая база G GUG Вал GCG Ала GAG Glu GGG Gly Третья база G

Генетический код: 8 важных свойств генетического кода

(1) Код представляет собой триплет (2) Код является вырожденным (3) Код не перекрывается (4) Код без запятой (5) Код однозначен (6) Код универсален (7) Совместно линейность и (8) Четность ген-полипептид.

Генетический код относится к взаимосвязи между последовательностью азотистых оснований (UCAG) в мРНК и последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. Другими словами, связь между 4-буквенным языком нуклеотидов и 20-буквенным языком аминокислот известна как генетический код.

ДНК (или РНК) несет всю генетическую информацию и выражается в форме белков. Белки состоят из 20 различных аминокислот. Информация о количестве и последовательности этих аминокислот, образующих белок, присутствует в ДНК и во время транскрипции передается на мРНК. Форма, в которой он передается, долго не понималась.

Сахар (пентоза) и фосфат ДНК не могут выполнять эту работу по передаче генетического сообщения мРНК, потому что сахар - это только один тип, а также фосфат. Остается только четыре нуклеотида, чтобы сформировать сообщение для 20 аминокислот, но 4 нуклеотида - это слишком мало для двадцати аминокислот.

Эта трудная проблема была решена с открытием того, что кодон (наследственная единица гена), содержащий кодированную информацию для одной аминокислоты, состоит из трех нуклеотидов (то есть триплетного кода). Таким образом, для двадцати аминокислот доступны 64 (4 x 4 x 4 или 4 3 = 64) возможных перестановки. В результате этого прорыва был создан словарь из 64 кодонов - Генетический код.

Согласно Барку (1970) генетический код - это код аминокислот, в частности, он связан с тем, какие кодоны определяют, какие аминокислоты. Генетический код - результат экспериментов, проведенных М. Ниренбергом, С. Очоа, Х. Хораной, Ф. Криком и Матаи. За эту выдающуюся работу в 1961 г. профессор М. Ниренберг был удостоен Нобелевской премии.

В словаре генетического кода используются буквы РНК (U, C, A, G, т.е. A = аденин, U = урацил, C = цитозин, G = гуанин).

Кодон аминокислот, одинаковых для всех известных форм жизни, был определен экспериментально. Они представлены на рис. 7.3.

На рис. 7.3 следует отметить, что более одного кодона могут сигнализировать о включении конкретной аминокислоты в белок. Кроме того, некоторые кодоны выполняют особые функции.

Например, кодон AUG выполняет две функции:

(1) В качестве кодона инициатора передачи сигнала для начала синтеза пептида, и

(2) Для включения метионина в растущую цепь пептида. Другими кодонами специального назначения являются UAA (охра), UAG (янтарь) и UGA (умбра), все из которых сигнализируют о СТОП.

Когда сайт синтеза рибосом встречает один из этих стоп-кодонов, пептидная цепь высвобождается и принимает свои вторичные и третичные структуры. Поскольку UAA (охра), UAG (янтарь) и UGA (умбра) не определяют никаких аминокислот, их также называют бессмысленными кодонами.

«Когда ему предшествует инициаторная область, кодон AUG сигнализирует:« Начать новую молекулу пептида, начинающуюся с N-формилметионина или fMet ». Кодоны UAA, UAG и UGA сигнализируют об окончании синтеза белка».

Свойства генетического кода:

Свойства генетического кода, определенные обширными экспериментальными данными, можно резюмировать следующим образом:

1. Код - это триплет:

Как указывалось ранее, кодирующие единицы или кодоны для аминокислот состоят из трехбуквенных слов, 4 x 4 x 4 или 4 3 = 64. 64 кодона вполне достаточно для определения 20 белковых аминокислот.

2. Код является вырожденным:

Наличие более одного кодона для одной аминокислоты называется вырожденным. Обзор словаря генетического кода покажет, что большинство аминокислот имеют более одного кодона. Из 61 функционального кодона AUG и UGG кодируют по одной аминокислоте каждый. Но остальные 18 аминокислот кодируются 59 кодонами.

3. Кодекс не дублирует:

4. Код меньше запятой:

Код без запятой означает, что между двумя кодонами нет нуклеотидов или запятой (или знаков препинания). Следовательно, код является непрерывным и без запятых, и никакие буквы не теряются между двумя словами или кодонами.

5. Кодекс недвусмысленен:

В генетическом коде нет двусмысленности. Данный кодон всегда кодирует конкретную аминокислоту, где бы он ни присутствовал.

6. Кодекс универсален:

Было обнаружено, что генетический код универсален для всех видов живых организмов - прокариот и эукариот.

7. Коллинеарность:

ДНК представляет собой линейную полинуклеотидную цепь, а белок представляет собой линейную полипептидную цепь. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи соответствует последовательности нуклеотидных оснований в гене (ДНК), который ее кодирует. Изменение конкретного кодона в ДНК вызывает изменение аминокислоты в соответствующем положении в полипептиде. Ген и полипептид, который он кодирует, называются коллинеарными.

8. Четность гена и полипептида:

Конкретный ген транскрибирует определенную мРНК, которая продуцирует конкретный полипептид. Исходя из этого, в клетке может быть столько типов полипептидов, сколько типов генов. Однако это не относится к некоторым вирусам, у которых есть перекрывающиеся гены.

Статьи по Теме:

Добро пожаловать на BiologyDiscussion! Наша миссия - предоставить онлайн-платформу, чтобы помочь студентам делиться заметками по биологии. Этот веб-сайт содержит заметки об исследованиях, исследовательские работы, эссе, статьи и другую сопутствующую информацию, представленную такими посетителями, как ВЫ.

Прежде чем поделиться своими знаниями на этом сайте, прочтите следующие страницы:

Вопросов

Оглавление

О нас

Предложения

Новые вопросы и ответы и категории форумов

Это форум вопросов и ответов для студентов, преподавателей и обычных посетителей для обмена статьями, ответами и заметками. Ответьте сейчас и помогите другим.


Краткие заметки о генетическом коде | Клеточная биология

Существование и жизнеспособность живых существ зависят от белков, которые вырабатывают ферменты, необходимые для всех химических реакций. Структурная информация, необходимая для определения синтеза любого данного белка, находится в молекуле ДНК, имеющей пространственную конфигурацию двойной спирали, предложенную Уотсоном и Криком (1953).

Линейная последовательность оснований в ДНК составляет алфавит (наследственные буквы из 4 оснований & # 8211 A, T, C, C), который & # 8216 кодирует & # 8217 для другой линейной структуры, белка, написанного другим алфавитом из 20 аминокислот.

Однако фактическая передача информации является косвенной. ДНК - это «шаблон» для образования РНК, которые встраиваются в рибосомы и, в свою очередь, действуют как матрицы для синтеза белка.

Все свойства белка, включая его вторичную и третичную структуру, в конечном итоге определяются хромосомной ДНК, а все биологические свойства, в свою очередь, определяются аминокислотной последовательностью белков в организме через структуру белка и активность ферментов.

Термин «кодирование» подразумевает взаимосвязь между ДНК и белком. При кодировании наследственные буквы, содержащиеся в четырех алфавитах ДНК, в конечном итоге преобразуются в язык белков, состоящий из двадцати букв алфавита аминокислот.

Коллинеарность гена и полипептида:

В 1958 году Крик выдвинул гипотезу о том, что ДНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде. В основе этой взаимосвязи лежит то, что обе они линейны по структуре, в одном случае это последовательность нуклеотидов, в другом случае последовательность аминокислот.

Сравнивая нуклеотидную последовательность гена с аминокислотной последовательностью белка, мы можем напрямую определить, являются ли ген и белок коллинеарными или нет. Ген из 3N пар оснований необходим для кодирования белка из N аминокислот.

Коллинеарность гена и белка была первоначально исследована в гене триптофансинтетазы E. coli Яновски и его сотрудниками с использованием полипептидной цепи А фермента триптофансинтетазы. Было замечено, что различные мутации в последовательности ДНК присутствовали в том же порядке, что и в изменениях, замеченных в соответствующей аминокислотной последовательности в полипептидной цепи А.

Расстояния рекомбинации и рекомбинации относительно похожи на фактические расстояния в белке, поэтому в этом случае есть много общего между картой рекомбинации и шибки и физической картой.

Для эукариотического расщепленного гена, имеющего интроны, в которых все последовательности оснований не транслируются в аминокислоту в белках, демонстрируется, что коллинеарность между последовательностью оснований гена и аминокислотной последовательностью в белке может быть прервана, но не нарушена.

Свойства генетического кода:

Код - триплет:

Очоа, Корнберг, Ниренберг, Бреннер, Крик и другие провели исследования для определения коэффициента кодирования, то есть количества единиц в одной системе, необходимого для определения одной единицы в другой. Конечно, между нуклеотидами и аминокислотами нельзя наблюдать однозначного соответствия.

Если бы каждый вид нуклеотидов определял одну аминокислоту, можно было бы сконструировать только белки, состоящие из четырех аминокислот. Точно так же соответствие аминокислоты двум нуклеотидам дало бы большее количество возможностей, но все же недостаточное, только = 16.

Однако, если используется трехзначный код, всего устанавливается = 64 вида единиц или кодонов (рис. 15.1), более чем достаточно для кодирования двадцати аминокислот. Избыточные сорок четыре триплета изначально считались бессмысленными кодонами, а остальные двадцать - смысловыми кодонами.

Однако более поздние исследования показали, что несколько триплетов могут кодировать одну аминокислоту. Таким образом, количество бессмысленных троек очень мало. Некоторые из бессмысленных троек можно также использовать как & # 8216 пунктуация & # 8217, обозначающий конец химического сообщения.

Важная информация о природе кодирующих единиц (т.е.код состоит из триплетов) была собрана из исследований мута- и шигенного действия на полинуклеотидную цепь (ДНК).

Применение мутагена приводит к удалению или дупликации одной пары нуклеотидов или нескольких соседних пар. Добавление или удаление одного или двух оснований, соответственно, часто вызывает резкий эффект, и в конечном итоге организмы погибают.

С другой стороны, добавление или удаление трех оснований вместе, хотя и вызывает изменения в поведении организма, но не обязательно может вызывать летальный эффект, и организм может выжить с измененной мутированной тканью.

(i) Прямые и точные доказательства в поддержку концепции триплетного кода были предоставлены Crick et al. (1961) на основании своих экспериментов с вирусом бактериофага Т4 (рис. 15.2). Они обнаружили, что обработка химическим веществом, называемым профлавином, либо добавляла, либо удаляла основание в его молекуле ДНК, тем самым повреждая вирус и приводя к измененной или мутантной форме вируса.

Добавление с последующим удалением ближайшего основания привело к восстановлению исходного вируса. Это означало, что нормальные последовательности оснований в молекуле ДНК были восстановлены вторым изменением.

Удаление или вставка полностью нарушает рамку считывания, как можно увидеть на примере базовой последовательности GTCCAGACC. Обычно последовательность будет читаться как GTC, CAG, ACC, & # 8230, но с вставкой нового основания T между первым и вторым нуклеотидами она дает последовательность GTTCCAGACC & # 8230 и приводит к чтению в группах GTT, CCA, GAC, C & # 8230 и указывает неправильные аминокислоты.

Аналогичная последовательность возникает в результате удаления. Пересечение между добавлением и удалением восстановит правильную рамку считывания последовательности, за исключением области между ними. Легко видеть, что комбинации двух мутантов в виде двух вставок или двух делеций все равно будут давать смещенную рамку считывания.

Крик (1961) обнаружил, что три добавления или удаления соседних нуклеотидов привели к образованию нормального вируса из-за восстановления нормальной последовательности оснований в ДНК.

Таким образом, эксперименты, демонстрирующие, что комбинация трех вставок или делеций дает бактериофаг совершенно нормального внешнего вида и что рекомбинанты, содержащие вставки или делеции в количестве, не кратном трем, вырабатывают только нефункциональный или неправильный белок, предоставили убедительные доказательства того, что генетический код работает как триплетный код. или что один триплет нуклеотидов составляет кодон.

(ii) Триплетный характер кода был дополнительно подтвержден в ходе исследовательской работы Ниренберга и Ледера (1965), которые обнаружили, что, хотя связывание тРНК в незначительной степени возможно в присутствии динуклеотидных мессенджеров, оно происходит преимущественно с тринуклеотидами.

Они смогли стимулировать связывание разных аминокислот через разные последовательности одних и тех же трех оснований, еще раз подтвердив существование триплетного кода.

Код не перекрывается:

В природе всегда есть тенденция к экономии. Как предположил Гамов, в его гипотезе кодирования "8216 over & shylapping", код имеет форму троек, а не выстраивается в прямую цепочку. Он перекрывается в областях, где конкретный нуклеотид служит более чем в одной кодирующей единице.

Гамов предложил перекрывающийся код на основе двух характеристик:

(а) Расстояние между двумя основаниями в молекуле ДНК составляет 3,4 А.

(b) В молекуле белка также расстояние между двумя соседними аминокислотами составляет 3,4А.

Это можно объяснить в случаях монокодирования, а также кодирования с перекрытием, но это совершенно неприемлемо для триплетного кодирования с прямой цепью. В неперекрывающемся коде шесть нуклеотидов будут кодировать две аминокислоты, а в случае избыточного кода - до четырех (рис. 15.3).

В неперекрывающемся коде каждая буква читается только один раз, в то время как в перекрывающемся коде она читается трижды, каждый раз как часть разных слов. Мутационные изменения в одной букве повлияют только на одно слово в неперекрывающемся коде, в то время как это повлияет на три слова в перекрывающемся коде.

Есть свидетельства неперекрывающейся природы генетического кода.

(i) Экспериментальные данные Крика (1961) убедительно опровергают чрезмерный кодекс и в ходе их исследований подтверждают аргументы, выдвинутые более ранними учеными в пользу неперекрывающегося кода. Они начали с мессенджера известной триплетной последовательности и использовали его для синтеза определенного белка.

При добавлении к нему нуклеотида частичный белок больше не мог быть синтезирован.Результат не изменился даже при добавлении второго нуклеотида. Однако правильная функция нуклеотида восстанавливалась при введении третьего нуклеотида.

Данная нуклеотидная последовательность ACTACTACTACT несет кодоны ACT, ACT, ACT, ACT в неперекрывающихся системах кодирования. Вставка нуклеотида G между первым C и первым T в такой системе изменит нуклеотидную последовательность на ACGTACTACTACT, а последовательности кодонов - на ACG, TAG, TAG, TAG, T.

Синтез исходного белка не будет происходить после добавления нуклеотида. Вместо этого измененная аминокислотная цепь будет производить совершенно другой белок. Вторая вставка и вставка другого нуклеотида G между первым C и первым G ранее измененной нуклеотидной цепи приводит к новой нуклеотидной последовательности ACGGTACTACTACT и соответствующей последовательности кодонов ACG, GTA, CTA, CTA, CT.

Конкретный белок по-прежнему не может быть синтезирован. Третье добавление нуклеотида, вставка нуклеотида G, в начало нуклеотидной цепи, доступной после последнего шага, приводит к тому, что она читается как GAGGGTACTACTACT, а соответствующая доступная цепь кодона - это GAC, GGT, ACT, ACT, ACT.

Третье добавление восстановило большую часть исходной последовательности триплетов. Удаление оснований из ДНК имеет тот же эффект, что и удаление. Третья делеция, однако, восстанавливает большую часть рамки считывания и допускает последовательность аминокислот, немного отличающуюся от исходной. Это говорит о том, что код не перекрывается.

(ii) Еще одно свидетельство, подтверждающее существование неперекрывающегося кода, обеспечивается эффектом односайтовых мутаций.

Единичная мутация в перекрывающейся системе кодирования неизбежно повлияет на две или более соседних аминокислот в нуклеотидной цепи. Мутация с первого G на C в нуклеотидной последовательности ATGATGATG вызовет изменение в одном кодоне только в случае неперекрывающегося кода. Исходная последовательность кодонов ATG, ATG, ATG приведет к последовательности кодонов ATC, ATG, ATG после одиночной мутации.

Однако, если код был перекрывающимся, исходная последовательность кодонов ATG, TGA, GAT, ATG, TGA, GAT, ATG изменится на последовательность кодонов ATC, TGA, CAT, ATC, TGA, GAT, .ATG. В результате единичной мутации происходят три изменения. В последовательности кодонов, когда перекрывающийся код находится в рабочем состоянии.

В случае неперекрывающегося кода можно ожидать только одного изменения. Поскольку в экспериментальных исследованиях односайтовых мутаций наблюдались только син- и шайгловые аминокислотные изменения, эти данные подтверждают существование неперекрывающегося кода.

(iii) Бреннер (1957) на основе всех опубликованных данных по изучению последовательности аминокислот в белках пришел к выводу, что в белках нет запрещенных зон и соседние аминокислоты неизменно кодируются неродственными группами нуклеотидов. .

Далее было установлено, что никакая конкретная аминокислота не всегда будет иметь одних и тех же ближайших соседей, и аминокислотные последовательности оказываются почти полностью случайными. Такие разоблачения были бы невозможны, если бы кодекс имел перекрывающийся характер.

(iv) Янофски (1963) предоставил, пожалуй, наиболее убедительные доказательства, исключающие любой перекрывающийся код. В своих исследованиях мутаций и рекомбинации с помощью техники трансдукции он обнаружил, что в каждом белке с другой аминокислотой в данном положении аминокислоты с обеих сторон оставались неизменными.

Код вырожден:

Иногда три или четыре триплетных кодона кодируют определенную аминокислоту. Такой генетический код, в котором существует более одного триплетного (кодонного) кода для одной аминокислоты, известен как код дегенерации и шиерата. Из возможных 64 различных кодонов 61 кодон кодирует разные аминокислоты.

Поскольку существует 20 аминокислот, очевидно, что более одного кодона или триплета кодируют одну аминокислоту. Если каждая аминокислота кодируется одним кодоном, 44 кодона из 64 будут бесполезными или бессмысленными кодонами.

Многочисленные свидетельства указывают на вырожденность генетического кода.

(i) Если бы только двадцать триплетов имели смысл, а оставшиеся сорок четыре оставались бессмысленными, то в длине хромосомы мутации могли происходить только в очень ограниченных участках, составляющих одну треть длины, а не на всей ее длине.

Но скорость спонтанной мутации, а также результаты индуцированной мутации с помощью рентгеновских лучей показали, что почти весь участок хромосомы способен подвергаться мутации. Это возможно, если только код вырожденный и застенчивый. Однако, хотя вырожденная природа кода была установлена, наличие большого количества повторяющихся последовательностей может сделать основные сегменты хромосом нематабельными.

(ii) Когда два основания U и C в пропорции 3: 1 синтезируются в РНК, возможные триплеты и их частота могут быть математически определены:

UUU = 3/4 x 3/4 x 3/4 = 27/64 UUC = 3/4 x 3/4 x 1/4 = 9/64 UCU = 3/4 X 1/4 X 3/4 = 9 / 64 CUU = 1/4 x 3/4 x 3/4 = 9/64 UCC = 3/4 x 1/4 X 1/4 = 3/64 CUC = 1/4 x 3/4 X 1/4 = 3 / 64 CCU = 1/4 x 1/4 x 3/4 = 3/64 CCC = 1/4 X 1/4 X 1/4 = 1/64.

мРНК этого состава должна управлять включением восьми аминокислот, но на самом деле только четыре аминокислоты были фактически обнаружены в белковой цепи, что указывает на вырожденный характер кода, т. е. некоторые из кодонов в этом случае направляли включение тех же самых аминокислота.

(iii) Согласно гипотезе колебания Крика (1966), первые два основания пары триплетных кодонов в соответствии с установленными правилами, т. е. A с U и G с C, но третье основание имеет гораздо большую свободу движения, чем два других колеблются и допускают более одного типа пары и шатания в этой позиции. Таким образом, гипотеза колебания до некоторой степени объясняет вырожденность кода.

Иногда утверждают, что третья основа кода не очень важна и что специфичность кодона в частности определяется первыми двумя основаниями. Было показано, что одна и та же тРНК может распознавать более одного кодона, различающегося только в третьем положении. Это соединение не очень стабильно и допускается из-за колебания в спаривании оснований в этом третьем положении.

Крик в 1965 году предложил гипотезу, называемую гипотезой колебания, для объяснения этого явления. Он обнаружил, что если U присутствует в первой позиции антикодона, он может спариваться с A или G в третьей позиции кодона. Аналогично обстоит дело с G, обнаруженным в антикодоне, который может сочетаться либо с C, либо с U кодона (таблица 15.1 A).

Гипотеза колебания визуализирует, что многие кодоны способны переносить мутации в третьем сайте основания из-за неограничительных пространственных ограничений для соответствующего основания в антикодоне. Третий нуклеотид во многих кодонах лучше переносился и мог быть заменен без повреждений.

Соответствующая основа в антикодоне будет раскачиваться и приспосабливаться. Этот вид колебания позволяет сэкономить количество молекул тРНК, поскольку несколько кодонов, предназначенных для одной и той же аминокислоты, распознаются одной и той же тРНК.

Код без запятых:

Код без запятых означает, что между двумя словами не нужны знаки препинания и знаки препинания. Другими словами, мы можем сказать, что после того, как одна аминокислота закодирована, вторая аминокислота будет автоматически закодирована следующими тремя буквами, и никакие буквы не будут потеряны (рис. 15.4).

Однако код всего полипептида, содержащего несколько аминокислот, всегда заканчивается бессмысленным кодоном, который в терминологии кодирования является точкой.

Если генетический код функционирует с запятыми, определенный нуклеотид служит в качестве знака препинания. В ходе экспериментов было установлено, что поли-A (AAA) кодирует лизин, поли-C (CCC) для пролина и поли-U (UUU) для фенилаланина, что означает, что запятые не состоят из A, C и U.

Код однозначный:

Неопределенность означает, что один кодон может кодировать более одной аминокислоты. "Не двусмысленный" означает отсутствие двусмысленности в отношении конкретного кодона. Конкретный кодон всегда будет кодировать одну и ту же аминокислоту.

Генетический код, как правило, неоднозначен, может быть экспериментально подтвержден с использованием конкретного единственного комплекса триплет-рибосома, который управляет связыванием конкретной тРНК. Например, комплекс триплет-рибосома UUU направляет связывание фенилаланин-тРНК, а комплекс триплет-рибосома AAA направляет связывание лизин-тРНК.

Аналогичным образом, с использованием триплетов известной последовательности, были определены кодоны для валина, цистеина, лейцина и некоторых других аминокислот, таким образом четко устанавливая однозначный характер генетического кода в естественных физиологических условиях.

Код универсален:

Генетический код универсален. Это означает, что один и тот же кодон кодирует одну и ту же аминокислоту во всех организмах, от человека до вируса.

Универсальность генетического кода подтверждена экспериментально.

(i) Решающим моментом в генетическом коде является приспособление тРНК со специфическим антикодоном к кодону мРНК.

Таким образом, если мРНК берется из эукариота, а тРНК - из прокариота, и синтез белка может осуществляться так, как он закодирован в мРНК, то можно доказать, что код универсален, если мРНК и рибосома взяты из E. coli, а аминокислота и тРНК крысы, синтез протеина может быть осуществлен, как закодировано в мРНК E. coli. Это верно и наоборот.

Фон Эренштейн и Липманн обнаружили, что тРНК E. coli, к которой были добавлены меченые аминокислоты, будет образовывать гемоглобин при инкубации с мРНК и рибосомами ретикуло-шицитов кролика.

Точность, с которой происходит это межвидовое прикрепление, была продемонстрирована путем преобразования цистеина в аланин в тРНКцинах, активируемых аминокислотами, а затем наблюдения, что этот аланин теперь вставлен в пептидные позиции, которые обычно заняты цистеином, другими словами, антикодон цистеина. тРНК вида бактерий распознала цистеиновый кодон мРНК млекопитающих, несмотря на то, что тРНК несла аминокислоту аланин.

(ii) тРНК из E. coli, Xenopus laevis и guineapig связываются с одними и теми же тринуклеотидами, как показано Ниренбергом и др., что указывает на универсальность кода.

(iii) Исследования Меррила и соавторов (1971) показали, что бактериальный фермент XD-галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза, который катализирует метаболизм сахаров галактозы, продуцируется в клетках культуры ткани человека, которые ранее не могли этого сделать, после заражения вирус, несущий ген gal + E. coli. Это убедительно свидетельствует в пользу универсальности кода.

(iv) Коррелированные нуклеотидные и аминокислотные последовательности в перекрывающихся генах ДНК-бактериофага ф x 174 и в гене, кодирующем белок капсида РНК-бактериофага MS2, указывают на универсальность генетического кода.

(v) Однородность аминокислотной последовательности гомологичных белков, например цитохрома c, собранных у широко расходящихся видов, таких как человек, лошадь, куры, дрожжи и бактерии, демонстрирует универсальность генетического кода.

(vi) Наконец, гены человека и других организмов были экспрессированы в E. coli, а гены бактерий и других организмов - в растениях. В каждом таком случае полипептид, продуцируемый геном в новом организме, был идентичен полипептиду, продуцируемому им в орга- низме своего происхождения.

Исключения из генетического кода:

Триплетный кодон требует своей собственной тРНК с комплементарным антикодоном, или одна тРНК отвечает на оба члена пары кодонов или на все (или, по крайней мере, на некоторые) из четырех членов семейства кодонов. Часто одна тРНК может распознавать более одного кодона, т. Е. Кодон является вырожденным.

Это означает, что основание в первой позиции антикодона должно быть способно взаимодействовать с альтернативными основаниями в соответствующей третьей позиции кодона. В таких случаях могут быть различия в эффективности альтернативных реакций распознавания (как правило, обычно используемые кодоны имеют тенденцию более эффективно считываться).

В дополнение к конструкциям набора тРНК, способных распознавать все кодоны, может существовать несколько тРНК, которые отвечают на один и тот же кодон. Предсказания спаривания колебания очень хорошо согласуются с наблюдаемыми способностями почти всех тРНК. Но есть исключения, в которых кодоны, распознаваемые тРНК, отличаются от кодонов, предсказываемых правилами колебания.

Такие эффекты, вероятно, являются результатом влияния соседних оснований и / или конформации петли антикодона в общей третичной структуре тРНК. В самом деле, важность структуры петли против шикодона заложена в самой идее гипотезы колебания.

Дополнительное подтверждение влияния окружающей структуры обеспечивается выделением случайных мутантов, у которых изменение основания в некоторой другой области молекулы изменяет способность антикодона распознавать кодоны.

Другая неожиданная реакция спаривания представлена ​​способностью бактериального инициатора, fMet-тРНК ƒmet, распознавать как AUG, так и GUG. Это неправильное поведение затрагивает третью основу антикодона. Хотя генетический код не является неоднозначным, но GUG кодирует метионин при использовании в качестве кодона инициатора, но он кодирует валин, если он присутствует во вставочном положении, что указывает на его неоднозначную природу.

Универсальность генетического кода поразительна, но есть некоторые исключения. Они имеют тенденцию влиять на кодоны, участвующие в инициации или терминации, и являются результатом продукции (или отсутствия) тРНК, представляющих определенные кодоны. Почти все изменения, обнаруженные в основных геномах, влияют на кодоны терминации.

У прокариот Mycoplasma capricolum UGA не используется для терминации, вместо этого используется код триптофана. Фактически, это преобладающий кодон Trp, и UGG используется редко. Существуют два вида Trp-тРНК, с антикодонами UCA (читает UCA и UGG) и CCA (читает только UGG).

Некоторые инфузории (одноклеточные простейшие) читают UAA и UAG как глутамин вместо сигналов терминации и шитирования. Tetrahymena thermophile, одна из инфузорий, содержит три вида тРНКglu. Один распознает обычные кодоны CAA и CAG для глутамина, один распознает и UAA, и UAG (согласно гипотезе колебания), а последний распознает только UAG.

Мы предполагаем, что фактор высвобождения eRF имеет ограниченную специфичность по сравнению со специфичностью других эукариот.

У другой инфузории (Euplotes octacarinatus) UGA кодирует цистеин. В качестве кодона терминации используется только UAA, а UAG не обнаруживается. Изменение значения UGA может сопровождаться модификацией антикодона tRNAcys, чтобы позволить ему читать UGA с помощью обычных кодонов UGU и UGC.

Единственная замена в кодировании аминокислот происходит в дрожжах (Candida), где CUG означает серин вместо лейцина (а UAG используется в качестве смыслового кодона).

Все эти изменения носят спорадический характер, иными словами, они, по-видимому, произошли независимо на определенных линиях эволюции. Они могут быть сконцентрированы на терминирующих кодонах, поскольку эти изменения не включают замену одной аминокислоты на другую. Таким образом, различные варианты использования терминирующих кодонов могут представлять их & # 8216capture & # 8217 для обычных целей кодирования.

Исключения из универсального генетического кода также встречаются в митохондриях нескольких видов.

Самым ранним изменением было использование универсального стоп-кодона UGA для кодирования триптофана, который является общим для всех (нерастительных) митохонов и шидрий. Маловероятно, что UGA кодировал трипто и шифан в универсальном коде, но был изменен на терминацию в цитоплазматической трансляции, потому что это стоп-кодон в бактериях, митохондриях растений и ядерных геномах.

Отклонения от универсального кода, все в нерастительных митохондриях, - это CUN (лейцин) для треонина (у дрожжей), AAA (лизин) для аспарагина (у Platyhelminthes и иглокожих), UAA (стоп) для тирозина (у Planaria) и AGR (аргинин) для серина (в нескольких отрядах животных и для остановки (у позвоночных) [N = A, U, G или CR = A или G) (таблица 15.1B).

Митохондрии растений и простейших отличаются импортом и использованием тРНК, кодируемых ядерным, а также митохондриальным геномом, тогда как в митохондриях животных все тРНК кодируются органеллами.

Небольшое количество тРНК, кодируемых митохондриальным геномом, подчеркивает важную особенность митохондриальной генетической системы - использование немного другого генетического кода, который отличается от универсального кода, используемого как прокариотическими, так и эукариотическими клетками.

Некоторые из этих изменений упрощают код, заменяя два кодона, которые имели разные значения, парой, имеющей одно значение. Пары, рассматриваемые таким образом, включают в себя UGG и UGA (оба Trp вместо одного Trp и одно завершение), а также AUG и AUA (оба Met вместо одного Met и другие ложные).

Изменениям обычно предшествует потеря кодона из всех кодирующих последовательностей в организме или органелле, часто в результате давления направленной мутации, сопровождающейся потерей тРНК, которая транслирует кодон.

Код снова появляется позже, путем преобразования другого кодона и появления тРНК, которая транслирует вновь появившийся кодон с другим назначением и изменением. Изменения в факторах выпуска также вносят свой вклад в это пересмотренное назначение. Таким образом, генетический код, который раньше считался замороженным, теперь, как известно, находится в состоянии эволюции.

Расшифровка генетического кода:

Было невозможно сказать, какой кодон из возможных 64 кодонов должен кодировать какую из 20 аминокислот до тех пор, пока первый ключ к решению этой проблемы не появился, когда М.В. Ниренберг использовал систему in vitro для синтеза полипептида с использованием искусственно синтезированной молекулы мРНК.

В 1961 году Ниренберг и Матаи описали первые специфические кодирующие последовательности, которые помогли в анализе генетического кода.

Их успех в расшифровке кода зависел от двух экспериментальных систем:

(i) Система синтеза белков in vitro (бесклеточная),

(ii) Фермент, полинуклеотидфосфорилаза, который позволяет синтезировать синтетические мРНК. Эти мРНК служили матрицами для синтеза полипептидов в бесклеточной системе.

Фермент полинуклеотидфосфорилаза метаболически функционирует в бактериях, разрушая РНК, но при высоких концентрациях рибо- и шинуклеотиддифосфатов реакция может быть & # 8216 принудительное & # 8217 в обратном направлении, чтобы синтезировать РНК.

Как и РНК-полимераза, она не требует какой-либо ДНК-матрицы, каждое добавление рибо- и шинуклеотида является случайным на основе относительной концентрации четырех рибонуклеозиддифос- и шифатов, добавленных к реакционным смесям. Вероятность встраивания определенного рибонуклео- шитида пропорциональна доступности этой молекулы по сравнению с другими доступными рибонуклео- шитидами.

Бесклеточная система для синтеза белка и доступность синтетических мРНК предоставили средства для расшифровки состава рибонуклеотидов различных триплетов, кодирующих определенные аминокислоты.

Метод гомополимеров (эксперимент с Poly U):

В своих первоначальных экспериментах Nirenberg и Mathaei синтезировали гомополимеры РНК, каждый из которых состоит только из одного типа рибонуклеотида, т. Е. Продуцируемая мРНК в системе in vitro представляет собой либо UUUUU & # 8230, AAAAA & # 8230, CCCCC & # 8230, либо GGGGG. & # 8230 При тестировании каждой мРНК было очень легко определить, какая аминокислота включена в полипептидную цепь.

Различные аминокислоты метили с использованием 14 C и тестировали отдельно путем подсчета радиоактивности. В синтезированной РНК с использованием только урацила не было другого основания по всей длине мРНК, и единственным возможным триплетом был UUU.

Когда такой поли-U (РНК) использовался в синтезе полипептида (с использованием всех экстрактов из E. coli и обеспечения всех необходимых компонентов аппарата для синтеза белка), синтезировался только полифенилаланин, что означает, что единственная аминокислота, кодируемая был фенилаланин.

Поэтому сразу же был сделан вывод, что входящий UUU кодировал аминокислоту фенилаланин. Впоследствии поли А давал полилизин, а поли С давал полипролин. Таким образом, UUU был отнесен к фенилаланину, AAA - к лизину, а CCC - к про-шилину. Но полигон G не служил шаблоном, так как он сам загибается спиной, для этого назначения использовался другой метод.

Гетерополимеры (случайные): метод смешанных сополимеров:

Изучение полинуклеотидов было дополнительно расширено с помощью сополимеров в виде синтетических мессенджеров, содержащих два или более оснований в определенной пропорции в бесклеточной системе. Эти случайно синтезированные полинуклеотиды приводили к прямому включению аминокислот в белок таким образом, который указывал на то, что ряд различных кодовых слов участвует в связывании разных аминокислот.

В бесклеточной культуре с этими синтетическими полирибонуклеотидами & # 8217, различные аминокислоты, включенные в мессенджер, могут быть четко коррелированы с ожидаемыми вариациями частоты различных триплетов в синтетических сополимерах. Таким образом, этот эксперимент показал способ определения нуклеотидного состава триплетов для каждой из аминокислот.

Ниренберг, Матаи и Очоа провели свои эксперименты с использованием гетерополимеров РНК. В этом методе два или более различных рибонуклеозиддифосфата были добавлены в комбинации, чтобы сформировать искусственное сообщение. Частота конкретного триплетного кодона на синтетической мРНК зависела от относительной доли добавленных рибо- и шинуклеотидов в бесклеточной системе.

Процент включения конкретной аминокислоты в полипептидную цепь можно использовать для предсказания относительно конкретного триплетного кодона.

Например, в системе A и C добавляются в соотношении 1 A: 5C. Теперь вставка рибонуклеотида в любое положение молекулы РНК во время ее синтеза определяется соотношением A: C. Следовательно, вероятность того, что A займет 1/6, и вероятность того, что C. (C) занять каждую позицию, равна 1/6.

Исходя из этого, мы можем вычислить частоту появления любого заданного триплета в сообщении. Для AAA частота составляет (1/6) 3 или 0,4%. Для AAC, ACA и CAA частоты идентичны (1/6) 3 х 5/6 или 2,3%, у всех трех вместе взятых - 6,9%. Таким же образом рассчитывается 1A: 2C, который составляет 1/6 x (5/6) 2 или 11,6% или все вместе 34,8%, тогда как CCC составляет (5/6) 3 или 57,9% троек.

Теперь, исследуя процентное содержание любой данной аминокислоты, включенной в белок, синтезируемый в соответствии с этим сообщением, можно предложить вероятный базовый состав. Поскольку пролин присутствует на 69%, можно сделать вывод, что пролин, вероятно, кодируется CCC (57,9%), а также одним из вариантов триплетного кода 1A: 2C (11,6%), то есть 57,9 + 11,6.

Процент включения гистидина составляет 14%, что, вероятно, кодируется одной категорией 1A: 2C и другой категорией 1C: 2A (11,6 + 2,3)%. Треонин показывает включение 12%, то есть, вероятно, кодируется одной категорией 1A: 2C. Аспарагин и глутамин, по-видимому, кодируются одним из триплетов 1C: 2A, а лизин, по-видимому, кодируется AAA.

Используя все четыре рибонуклеотида для построения такого рода случайных гетерополимеров синтетической мРНК, можно определить состав триплетных кодовых слов, соответствующих всем 20 аминокислотам (таблица 15.2).

Гетерополимеры (заказанные): метод сополимеров повтора и шайтинга:

В начале 1960-х Х.Г. Хорана смог химически синтезировать длинную молекулу РНК, состоящую из коротких последовательностей, многократно повторяющихся. Короткие последовательности представляли собой ди-, три- или тетра-нуклеотиды, которые многократно реплицировались и, наконец, ферментативно соединялись с образованием длинных полинуклеотидов.

Динуклеотидные повторы будут транс- & шилированы для двух разных аминокислот, тринуклеотидные повторы будут преобразованы в 3 потенциальных триплета, в зависимости от точки, в которой происходит инициация, и тетра-нуклеотид создает четыре повторяющихся триплета.

Когда эти синтетические мРНК были добавлены к бесклеточной системе и согласовано включение аминокислот, выводы могут быть сделаны на основе определения состава и связывания триплета, и конкретные назначения были возможны.

Когда повторяющейся динуклеотидной последовательностью является UCUCUCUC & # 8230, она дает триплеты UCU и CUC - они могут включать лейцин и серин в полипептид. Когда повторяющейся тринуклеотидной последовательностью является UUCUUCUUC & # 8230, возможные триплеты бывают трех видов: UUC, UCU и CUU в зависимости от точки инициации, и они могут включать фенилаланин, серин и лейцин.

Из двух приведенных выше результатов можно сделать вывод, что UCU и CUC кодируют серин и лейцин, а также либо UUC, либо CUU кодируют серин или лейцин, тогда как другой кодирует фенилала и шинин. Кроме того, когда тетра-нуклеотидная последовательность UUAC повторяется, она дает UUA, UAC, ACU и CUU.

Здесь встроенные аминокислоты - лейцин, треонин и тирозин. В двух вышеупомянутых случаях общий код - CUU, а общая включенная аминокислота - лейцин, поэтому можно сделать вывод, что CUU кодирует лейцин.

Теперь из этих экспериментов можно логически определить, что UCU кодирует серин, а остальная UUC кодирует фенилаланин, а также CUC кодирует лейцин (таблица 15.3).

Таким образом, путем логической интерпретации Хорана подтвердил уже расшифрованные тройки и заполнил пробелы, оставшиеся от других подходов (таблица 15.4).

Техника триплетного связывания:

Ниренберг и Ледер в 1964 году обнаружили, что если синтетический тринуклеотид для известной последовательности используется с рибосомой и определенной аминоацил-tkNA, они образуют комплекс при условии, что используемый кодон кодирует аминокислоту, присоединенную к данной аминоацил-тРНК. .

Чтобы разработать код для всех 20 аминокислот, все возможные 64 триплета нужно было опробовать в бесклеточной культуре.

В эксперименте было взято 20 образцов смеси всех 20 аминокислот, и в каждом образце одна аминокислота была сделана радиоактивной таким образом, что каждая аминокислота была радиоактивной в одном или другом образце, и никакие два образца имеют такую ​​же радиоактивную аминокислоту. Например, в одном наборе валин был помечен, а остальные 19 остались без маркировки.

Точно так же в другом наборе был помечен лизин, а остальные 19 остались немечеными. Затем тРНК и рибосомы смешивают с каждым из этих образцов, и для всех наборов используют один и тот же кодон. Когда смесь выливается на нитро- и шицеллюлозную мембрану, радиоактивность на мембране будет наблюдаться только тогда, когда радиоактивная аминокислота принимает участие в образовании комплекса.

Поскольку в каждом образце известна радиоактивная аминокислота, можно было бы обнаружить аминокислоту, кодируемую данным кодоном, по наличию радиоактивности на мембране. Такая обработка была проведена для всех 64 синтетических кодонов, и были идентифицированы их соответствующие аминокислоты.

Словарь кодонов:

Последовательность оснований в мРНК и результирующая аминокислотная последовательность в белке раскрывают код для каждой аминокислоты. Все 64 кодона вместе с их аминокислотами представлены в таблице 15.5.

Изучение кодовой таблицы выявляет следующие характеристики:

я. Каждый кодон состоит из трех нуклеотидов, т.е. код является триплетным. 61 кодон представляет 20 аминокислот. Три представляют собой (UAA, UAG, UGA) знаки препинания, обозначающие прекращение синтеза про-шайтейна.

II. Почти все аминокислоты кодируются более чем одним кодоном, за исключением метионина и триптофана, которые имеют только один кодон. Фенилаланин, тирозин, гистидин, глутамин, аспарагин, лизин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота и цистеин - девять аминокислот, каждая из которых представлена ​​двумя кодонами. Три аминокислоты, то есть аргинин, серин и лейцин, имеют по шесть кодонов каждая. Таблица указывает на вырожденность генетического кода.

iii. Если у аминокислоты более одного кодона, первые два нуклеотида идентичны, а третий нуклеотид может быть цитозином или урацилом. Аденин и гуанин также взаимозаменяемы в третьей позиции. Например, UUU и UUC, оба кодируют фенилаланин, и UCU, UCC, UGA и UCG кодируют серин.

Однако есть некоторые исключения из правила эквивалентности первых двух нуклеотидов, поскольку AGU и AGC также кодируют серин, кроме UCU, UCC, UCA и UCG.

Точно так же аминокислота лейцин также кодируется шестью кодонами, то есть UUA, UUG, CUU, CUC, CUA и CUG.

Частая взаимозаменяемость цитозина и урацила или гуанина и аденина позволяет предположить, что в соотношении AT / GC у некоторых организмов могут иметь место большие вариации, не влияя на большие изменения относительных пропорций присутствующих в них аминокислот, поскольку почти для каждой аминокислоты существует один кодон. который несет G или C и другой, который несет A или U в качестве третьего нуклеотида.

Два организма, несущие в своей ДНК одну и ту же информацию о последовательности белка, путем выбора того или иного синонимического кодона могут показывать разные соотношения AT / GC.

iv. Генетический код имеет определенную структуру в том смысле, что синонимы одной и той же аминокислоты не разбросаны случайным образом по таблице, а обычно встречаются вместе. Единственным исключением являются кодоны, по шесть для аргинина, серина и лейцина, которые разбросаны по таблице.

v. Множественные кодоны для аминокислоты показывают в целом сходство в первых двух нуклеотидах, и меняется именно третий нуклеотид.

AUG является кодоном инициации, т.е. полипептидная цепь начинается с метионина. Эта аминокислота представляет собой формулированную форму метионина. Кодон инициации связывается с fmet-тРНК, имеющей антикодон 3 & # 8242 UAC 5 & # 8242, который идентичен таковому у met-тРНК, т.е. как мет-тРНК, так и fmet-тРНК кодируются AUG, но сигнал для исходной аминокислоты намного сложнее, чем сигнал для всех других аминокислот.

По словам Стента, существует два отдельных вида тРНК, способных принимать метионин. Метионин только одного из них превращается в формилметионин под действием фермента специального состава. Другая или обычная мет-тРНК включает метионин внутрь растущей полипептидной цепи и отвечает только на кодон AUG.

Формил-мет-тРНК инициирует полипептидную цепь и также отвечает на GUG (кодон валина). GUG, находясь в точке инициации, кодирует метионин, тогда как во вставочном положении он кодирует валин. Антикодон этого вида тРНК, по-видимому, является першимиссивным по отношению к первому нуклеотидному основанию кодона и селективным по отношению ко второму и третьему нуклеотидным основаниям.

UAA, UAG и UGA являются кодонами терминации цепи. Они не кодируют ни одну из аминокислот, но служат стоп-кодоном. Эти кодоны не содержат тРНК, но читаются специфическими белками, называемыми факторами высвобождения. Эти кодоны также называют бессмысленными кодонами.

Мутация от смыслового кодона к бессмысленному в середине генетического сообщения приводит к высвобождению незрелых или неполных полипептидов, не обладающих какой-либо биологической активностью. Нонсенс-мутации могут быть вызваны мутагенами. UAG ранее был известен как янтарь, UAA как охра и UGA как опал.


Сколько возможных кодонов? - Биология

Учитывая различное количество «8220 букв» в мРНК и белковых «алфавитах», ученые предположили, что комбинации нуклеотидов соответствуют отдельным аминокислотам. Дублетов нуклеотидов было бы недостаточно для определения каждой аминокислоты, потому что существует только 16 возможных двухнуклеотидных комбинаций (42). Напротив, существует 64 возможных триплета нуклеотидов (43), что намного больше, чем количество аминокислот. Ученые предположили, что аминокислоты кодируются триплетами нуклеотидов и что генетический код выродиться. Другими словами, данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом нуклеотидов. Позже это было подтверждено экспериментально. Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер использовали химический мутаген профлавин для вставки одного, двух или трех нуклеотидов в ген вируса. При вставке одного или двух нуклеотидов синтез белка полностью прекращался. Когда были вставлены три нуклеотида, белок был синтезирован и функционировал. Это продемонстрировало, что каждую аминокислоту определяют три нуклеотида. Эти триплеты нуклеотидов называются кодоны. Вставка одного или двух нуклеотидов полностью изменила рамку считывания триплета, тем самым изменив сообщение для каждой последующей аминокислоты (рис. 1). Хотя вставка трех нуклеотидов вызвала вставку дополнительной аминокислоты во время трансляции, целостность остальной части белка сохранялась.

Рисунок 1. Удаление двух нуклеотидов сдвигает рамку считывания мРНК и изменяет все белковое сообщение, создавая нефункциональный белок или полностью прекращая синтез белка.

Ученые кропотливо решили генетический код, транслируя синтетические мРНК in vitro и секвенируя указанные белки (рис. 2).

Рисунок 2. На этом рисунке показан генетический код для трансляции каждого триплета нуклеотидов в мРНК в аминокислоту или сигнал терминации в формирующемся белке. (кредит: модификация работы NIH)

Помимо указания на добавление конкретной аминокислоты к полипептидной цепи, три из 64 кодонов прекращают синтез белка и высвобождают полипептид из машины трансляции. Эти триплеты называются бессмысленными кодонами или стоп-кодонами. Другой кодон, AUG, также выполняет особую функцию. Помимо указания на аминокислоту метионин, он также служит стартовым кодоном для инициации трансляции. Рамка считывания для трансляции устанавливается стартовым кодоном AUG рядом с концом 5 & # 8242 мРНК.

Генетический код универсален. За некоторыми исключениями, практически все виды используют один и тот же генетический код для синтеза белка. Сохранение кодонов означает, что очищенная мРНК, кодирующая белок глобин у лошадей, может быть перенесена в клетку тюльпана, и тюльпан будет синтезировать глобин лошади. То, что существует только один генетический код, является убедительным доказательством того, что вся жизнь на Земле имеет общее происхождение, особенно с учетом того, что существует около 1084 возможных комбинаций из 20 аминокислот и 64 триплетных кодонов.

Транскрибируйте ген и транслируйте его в белок, используя комплементарные пары и генетический код на этом сайте.

Считается, что вырождение является клеточным механизмом, снижающим негативное влияние случайных мутаций. Кодоны, которые определяют одну и ту же аминокислоту, обычно отличаются только одним нуклеотидом. Кроме того, аминокислоты с химически подобными боковыми цепями кодируются подобными кодонами. Этот нюанс генетического кода гарантирует, что мутация с заменой одного нуклеотида может либо указывать ту же аминокислоту, но не иметь никакого эффекта, либо указывать аналогичную аминокислоту, предотвращая превращение белка в полностью нефункциональный.


Статьи по Теме

Хромосомы

Возможно, вы знакомы с термином хромосомы, но что они собой представляют и что делают хромосомы? Хромосомы - это пакеты генетического материала.

Нуклеотиды ДНК

Нуклеотиды - это основные строительные блоки нуклеиновых кислот, включая ДНК и РНК. Нуклеотиды также представляют собой молекулы, аккумулирующие энергию. Узнайте больше на сайте.

Где ДНК находится в клетке?

От одной клетки бактерий до триллионов клеток человека - клетки, которые часто называют «строительными блоками жизни», составляют все живые существа. Учиться .


Структура и функция тРНК

РНК-переносчики кодируются рядом генов и обычно представляют собой короткие молекулы длиной от 70 до 90 нуклеотидов (5 нм). Двумя наиболее важными частями тРНК являются ее антикодон и концевая 3’-гидроксильная группа, которая может образовывать сложноэфирную связь с аминокислотой. Однако есть и другие аспекты структуры тРНК, такие как D-плечо и T-плечо, которые способствуют ее высокому уровню специфичности и эффективности. Только 1 из 10 000 аминокислот неправильно присоединена к тРНК, что является замечательным числом, учитывая химическое сходство между многими аминокислотами.

РНК переноса имеют сахарно-фосфатный остов, как и все другие клеточные нуклеиновые кислоты, и ориентация сахара рибозы определяет направленность молекулы. Один конец РНК имеет реактивную фосфатную группу, присоединенную к пятому атому углерода рибозы, в то время как другой конец имеет свободную гидроксильную группу на третьем атоме углерода. Это приводит к образованию 5 ’и 3’ концов РНК, поскольку все другие фосфатные и гидроксильные группы участвуют в фосфодиэфирных связях в нуклеиновой кислоте.

Последние три основания на 3 ’конце тРНК всегда являются CCA - два цитозина, за которыми следует одно основание аденина. Этот участок является частью акцепторного плеча молекулы, где аминокислота ковалентно присоединена к гидроксильной группе рибозного сахара концевого аденинового нуклеотида. Акцепторное плечо также содержит части 5’-конца тРНК с отрезком в 7-9 нуклеотидов от противоположных концов оснований молекулы, спаривающихся друг с другом.

Другой структурой, которая влияет на роль тРНК в трансляции, является Т-образное плечо. Подобно D-ветви, он содержит отрезок нуклеотидов, которые спариваются друг с другом, и петлю, которая является одноцепочечной. Парная область называется «стебель» и в основном содержит 5 пар оснований. Петля содержит модифицированные основания и также называется плечом TΨC, чтобы указать присутствие тимидиновых, псевдоуридиновых и цитидиновых остатков (модифицированных оснований). Молекулы тРНК необычны тем, что содержат большое количество модифицированных оснований, а также содержат тимидин, обычно встречающийся только в ДНК. Т-образное плечо участвует во взаимодействии тРНК с рибосомой.

Наконец, вариабельное плечо, содержащее менее 20 нуклеотидов, расположено между петлей антикодона и Т-плечом. Он играет роль в распознавании тРНК AATS, но может отсутствовать у некоторых видов.

Считается, что вторичная структура тРНК, содержащая акцепторную область, D- и T-ветви и петлю антикодона, напоминает клеверный лист.После того, как РНК складывается в свою третичную структуру, она приобретает L-образную форму, при этом акцепторный стержень и Т-образное плечо образуют расширенную спираль, а петля антикодона и D-плечо аналогичным образом образуют еще одну расширенную спираль. Эти две спирали выровнены перпендикулярно друг другу таким образом, что D-плечо и T-плечо находятся в непосредственной близости, в то время как петля антикодона и акцепторное плечо расположены на противоположных концах молекулы.

На этом изображении 3 ’CCA-область выделена желтым цветом, акцепторное плечо - фиолетовым, переменная петля - оранжевым, D-образное плечо - красным, T-образное плечо - зеленым, а петля антикодона - синим.


Генетический код и трансляция аминокислот

В таблице 1 показан генетический код матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК), то есть показаны все 64 возможных комбинации кодонов, состоящих из трех нуклеотидных оснований (трехнуклеотидных единиц), которые определяют аминокислоты во время сборки белка.

Каждый кодон дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) кодирует или определяет одну аминокислоту, и каждая нуклеотидная единица состоит из фосфата, дезоксирибозного сахара и одного из 4 азотистых нуклеотидных оснований, аденина (A), гуанина (G), цитозина (C). ) и тимин (Т). Основания спарены и соединены водородными связями в двойной спирали ДНК. мРНК соответствует ДНК (т.е. последовательность нуклеотидов одинакова в обеих цепях), за исключением того, что в РНК тимин (Т) заменен урацилом (U), а дезоксирибоза заменена рибозой.

Процесс трансляции генетической информации в сборку белка требует сначала мРНК, которая читается с 5 'на 3' (точно так же, как ДНК), а затем переносить рибонуклеиновую кислоту (тРНК), которая читается с 3 'до 5'. тРНК - это такси, которое переводит информацию о рибосоме в аминокислотную цепь или полипептид.

Для мРНК возможны 4 3 = 64 различных комбинации нуклеотидов с триплетным кодоном из трех нуклеотидов. Все 64 возможных комбинации показаны в таблице 1. Однако не все 64 кодона генетического кода определяют одну аминокислоту во время трансляции. Причина в том, что у человека в трансляции участвуют только 20 аминокислот (кроме селеноцистеина). Следовательно, одна аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом кодонов мРНК. Аргинин и лейцин кодируются 6 триплетами, изолейцин 3, метионин и триптофан 1, а все другие аминокислоты 4 или 2 кодонами. Избыточные кодоны обычно различаются по 3-му основанию. В таблице 2 показано обратное назначение кодонов, то есть какой кодон определяет, какая из 20 стандартных аминокислот участвует в трансляции.

Таблица 1. Генетический код: кодон мРНК -> аминокислота

1-й
База
2-й
База
3-й
База
U C А грамм
U Фенилаланин Серин Тирозин Цистеин U
Фенилаланин Серин Тирозин Цистеин C
Лейцин Серин Стоп Стоп А
Лейцин Серин Стоп Триптофан грамм
C Лейцин Пролин Гистидин Аргинин U
Лейцин Пролин Гистидин Аргинин C
Лейцин Пролин Глутамин Аргинин А
Лейцин Пролин Глутамин Аргинин грамм
А Изолейцин Треонин Аспарагин Серин U
Изолейцин Треонин Аспарагин Серин C
Изолейцин Треонин Лизин Аргинин А
Метионин (начало) 1 Треонин Лизин Аргинин грамм
грамм Валин Аланин Аспартат Глицин U
Валин Аланин Аспартат Глицин C
Валин Аланин Глутамат Глицин А
Валин Аланин Глутамат Глицин грамм

Таблица 2. Обратная таблица кодонов: аминокислота -> кодон мРНК

Аминокислота кодоны мРНК Аминокислота кодоны мРНК
Ала / А GCU, GCC, GCA, GCG Лей / л UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg / R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Lys / K AAA, AAG
Asn / N AAU, AAC Met / M АВГУСТ
Asp / D GAU, GAC Phe / F UUU, UUC
Cys / C УГУ, УГК Pro / P CCU, CCC, CCA, CCG
Gln / Q CAA, CAG Ser / S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Клей GAA, GAG Thr / T ACU, ACC, ACA, ACG
Gly / G GGU, GGC, GGA, GGG Трп / Вт UGG
Его / H CAU, CAC Tyr / Y UAU, UAC
Иль / Я AUU, AUC, AUA Val / V ГУ, ГУК, ГУА, ГУГ
НАЧНИТЕ АВГУСТ ОСТАНАВЛИВАТЬСЯ UAG, UGA, UAA

Направление считывания мРНК - от 5 'до 3'. тРНК (чтение от 3 'до 5') имеет антикодоны, комплементарные кодонам в мРНК, и может быть ковалентно «заряжена» аминокислотами на их 3'-конце. Согласно Крику, связывание пар оснований между кодоном мРНК и антикодоном тРНК происходит только на 1-м и 2-м основаниях. Связывание с 3-м основанием (то есть с 5'-концом антикодона тРНК) слабее и может привести к образованию разных пар. Для того, чтобы связывание между кодоном и антикодоном стало реальностью, основания должны раскачиваться со своих позиций на рибосоме. Поэтому пары оснований иногда называют парами колебаний.

В таблице 3 показаны возможные пары колебаний на 1-й, 2-й и 3-й базе. Возможные парные комбинации на 1-й и 2-й базе идентичны. На 3-м основании (т.е. на 3'-конце мРНК и 5'-конце тРНК) возможные парные комбинации менее однозначны, что приводит к избыточности мРНК. Дезаминирование (удаление аминогруппы NH2) аденозина (не путать с аденином) продуцирует нуклеотид инозин (I) на тРНК, который генерирует нестандартные колебательные пары с U, C или A (но не с G) на мРНК. Инозин может находиться в 3-м основании тРНК.

Таблица 3. Пары оснований: кодон мРНК -> антикодон тРНК

Таблица 3 читается следующим образом: для 1-й и 2-й пар оснований колебательные пары обеспечивают уникальность в том смысле, что U на тРНК всегда выходит из A на мРНК, A на тРНК всегда выходит из U на мРНК и т. Д. 3-я пара оснований генетического кода является избыточной в том смысле, что U на тРНК может происходить из A или G на мРНК, G на тРНК может происходить из U или C на мРНК, а I на тРНК может происходить из U, C или A на мРНК. мРНК. Только A и C на 3-м месте на тРНК однозначно отнесены к U и G на 3-м месте на мРНК соответственно.

Благодаря такой комбинированной структуре тРНК может связываться с разными кодонами мРНК, где синонимичные или повторяющиеся кодоны мРНК различаются на 3-м основании (то есть на 5'-конце тРНК и 3'-конце мРНК). По этой логике минимальное количество антикодонов тРНК, необходимое для кодирования всех аминокислот, снижается до 31 (исключая 2 STOP-кодона AUU и ACU, см. Таблицу 5). Это означает, что любой антикодон тРНК может кодироваться одним или несколькими различными кодонами мРНК (таблица 4). Однако существует более 31 антикодона тРНК, возможного для трансляции всех 64 кодонов мРНК. Например, серин имеет четырехкратно вырожденный сайт в 3-м положении (UCU, UCC, UCA, UCG), который может транслироваться с помощью AGI (для UCU, UCC и UCA) и AGC на тРНК (для UCG), но также с помощью AGG и AGU. Это, в свою очередь, означает, что любой кодон мРНК также может транслироваться одним или несколькими антикодонами тРНК (см. Таблицу 5).

Причина возникновения разных пар колебаний, кодирующих одну и ту же аминокислоту, может быть связана с компромиссом между скоростью и безопасностью синтеза белка. Избыточность кодонов мРНК существует для предотвращения ошибок транскрипции, вызванных мутациями или вариациями в 3-м положении, но также и в других положениях. Например, первая позиция кодонов лейцина (UCA, UCC, CCU, CCC, CCA, CCG) - это сайт с двукратным вырождением, а вторая позиция - однозначная (не повторяющаяся). Другой пример - серин с кодонами мРНК UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, AGC. Конечно, серин также двукратно вырожден в первом положении и четырехкратно вырожден в третьем положении, но вдобавок он двукратно вырожден во втором положении. В таблице 4 показано назначение кодонов мРНК любому возможному антикодону тРНК у эукариот для 20 стандартных аминокислот, участвующих в трансляции. Это обратное назначение кодонов.

Таблица 4. Обратное кодирование аминокислот: аминокислота -> антикодон тРНК -> кодон мРНК

Хотя невозможно предсказать конкретный кодон ДНК по аминокислоте, кодоны ДНК можно однозначно декодировать в аминокислоты. Причина в том, что существует 61 кодон ДНК (и мРНК), определяющий только 20 аминокислот. Обратите внимание, что есть 3 дополнительных кодона для терминации цепи, т.е. есть 64 кодона ДНК (и, следовательно, 64 различных мРНК), но только 61 из них определяет аминокислоты.

В таблице 5 показан генетический код для трансляции всех 64 кодонов ДНК, начиная с ДНК через мРНК и тРНК до аминокислоты. В последнем столбце таблицы показаны различные антикодоны тРНК, минимально необходимые для преобразования всех кодонов ДНК в аминокислоты, и суммируются числа в последней строке. Он показывает, что минимальное количество антикодонов тРНК для трансляции всех кодонов ДНК составляет 31 (плюс 2 кодона STOP). Максимальное количество антикодонов тРНК, которые могут появиться при транскрипции аминокислот, составляет 70 (плюс 3 кодона STOP).

Таблица 5. Генетический код: ДНК -> кодон мРНК -> антикодон тРНК -> аминокислота

Примечание:
1 Кодон AUG кодирует метионин и служит сайтом инициации: первая AUG в кодирующей области мРНК - это место, где начинается трансляция в белок.


Остановить мутации кодонов

Мутации стоп-кодона могут легко произойти, особенно если принять во внимание длину генома и тысячи различных триплетов нуклеотидов. Процессы как транскрипции, так и трансляции подвержены широкому спектру потенциальных ошибок, которые могут приводить или не приводить к анатомическим и физиологическим изменениям. Установлено, что вставка неправильного нуклеотида в ген KRT-9 у членов семьи, уже предрасположенных к заболеванию, способствует развитию кожного заболевания, известного как эпидермолитическая ладонно-подошвенная кератодермия.

Какой тип мутации создает стоп-кодон? Радиация, химические вещества, загрязнение, инфекция и процесс старения - это лишь некоторые способы, которыми ДНК может быть повреждена, попытки исправить это повреждение могут случайно вставить неправильный нуклеотид. Это может изменить триплет, который обычно кодировал бы аминокислоту, в стоп-кодон. Когда это происходит, результатом становится бессмысленная мутация. Нонсенс-мутация специфически превращает триплет, продуцирующий аминокислоту, в стоп-кодон и приводит к преждевременному прекращению синтеза белка в рибосоме.

В то время как все виды мутаций происходят во время транскрипции ДНК в мРНК, мРНК копирует только то, что написано, без необходимости понимать это. В период, когда мРНК не контактирует с рибосомой, даже множественные мутации не вызовут эффекта. Эффекты видны только тогда, когда измененный код транслируется в дефектный белок. Вот почему большинство мутаций помечены как часть процесса трансляции, когда отредактированный код может производить или не производить другую аминокислоту. Тот факт, что большинство аминокислот соответствуют шести различным триплетам нуклеотидов, означает, что существует вероятность того, что даже при наличии мутации будет продуцироваться один и тот же белок. Мы обычно связываем генетические мутации с болезнью, однако они также ответственны за успешную эволюцию. Генетические мутации помогают организмам адаптироваться к окружающей среде.

Существуют различные формы генетической мутации. Делеционные мутации не копируют определенные части генома и, таким образом, изменяют порядок нуклеотидов. Одна или несколько баз могут быть полностью упущены. Вставочные мутации добавляют один или несколько нуклеотидов, а также изменяют порядок генетического кода. Замещающие мутации (молчаливые, бессмысленные и бессмысленные) заменяют один нуклеотид (а не несколько нуклеотидов) другим основанием, и это может или не может заменять другую аминокислоту в полипептидной цепи. Если один и тот же белок продуцируется даже при наличии мутации, это называется «молчащей» мутацией. В некоторых случаях весь участок ДНК может перемещаться между двумя цепями - это называется транслокацией.

Если к полипептидной цепи добавляется другая аминокислота, которая может изменить или не изменить ее функцию, причиной является миссенс-мутация. Если замена создает стоп-кодон путем изменения кода триплета нуклеотидов, который соответствует аминокислоте, это называется бессмысленной мутацией. На изображении ниже показаны три типа мутации: A - бессмысленная мутация, B - инсерционная мутация, а C и D - делеционные мутации.


Смотреть видео: Что такое геном - Андрей Афанасьев. хромосома, старт кодон, аминокислоты, рамка считывания, АТГ (June 2022).