Codul genetic, exprimat în codoni, este un sistem de codificare a informațiilor despre structura proteinelor, inerente tuturor organismelor vii de pe planetă. Decodificarea lui a durat un deceniu, dar faptul că există, știința a înțeles de aproape un secol. Universalitatea, specificitatea, unidirecționalitatea și mai ales degenerarea codului genetic sunt de mare importanță biologică.
Istoricul descoperirilor
Problema codificării informațiilor genetice a fost întotdeauna una cheie în biologie. Știința sa deplasat destul de încet către structura matriceală a codului genetic. De la descoperirea de către J. Watson și F. Crick în 1953 a structurii duble elicoidale a ADN-ului, a început etapa de desfacere a structurii însăși a codului, care a determinat credința în măreția naturii. Structura liniară a proteinelor și aceeași structură a ADN-ului implicau prezența unui cod genetic ca o corespondență a două texte, dar scrise folosind alfabete diferite. Si dacaalfabetul proteinelor era cunoscut, apoi semnele ADN-ului au devenit subiect de studiu pentru biologi, fizicieni și matematicieni.
Nu are sens să descrii toți pașii în rezolvarea acestei ghicitori. Un experiment direct, care a dovedit și a confirmat că există o corespondență clară și consistentă între codonii ADN și aminoacizii proteici, a fost efectuat în 1964 de către C. Janowski și S. Brenner. Și apoi - perioada de descifrare a codului genetic in vitro (in vitro) folosind tehnicile de sinteză a proteinelor în structuri fără celule.
Codul E. coli complet descifrat a fost făcut public în 1966 la un simpozion al biologilor din Cold Spring Harbor (SUA). Apoi a fost descoperită redundanța (degenerarea) codului genetic. Ce înseamnă asta a fost explicat destul de simplu.
Decodarea continuă
Obținerea de date privind decodificarea codului ereditar a devenit unul dintre cele mai semnificative evenimente ale secolului trecut. Astăzi, știința continuă să studieze în profunzime mecanismele codificărilor moleculare și caracteristicile sale sistemice și o supraabundență de semne, care exprimă proprietatea degenerării codului genetic. O ramură separată de studiu este apariția și evoluția sistemului de codificare pentru materialul ereditar. Dovezile relației dintre polinucleotide (ADN) și polipeptide (proteine) au dat impuls dezvoltării biologiei moleculare. Și asta, la rândul său, la biotehnologie, bioinginerie, descoperiri în selecție și producție de culturi.
Dogme și reguli
Dogma principală a biologiei moleculare - informația este transferată de la ADN la informațieARN și apoi de la el la proteine. În sens opus, transmiterea este posibilă de la ARN la ADN și de la ARN la alt ARN.
Dar matricea sau baza este întotdeauna ADN-ul. Și toate celel alte trăsături fundamentale ale transmiterii informațiilor sunt o reflectare a acestei naturi matrice a transmisiei. Și anume transferul prin sinteză pe matricea altor molecule, care va deveni structura de reproducere a informațiilor ereditare.
Cod genetic
Codificarea liniară a structurii moleculelor proteice se realizează folosind codoni complementari (tripleți) de nucleotide, dintre care există doar 4 (adeină, guanină, citozină, timină (uracil)), ceea ce duce spontan la formarea a altui lanț de nucleotide. Același număr și complementaritatea chimică a nucleotidelor este condiția principală pentru o astfel de sinteză. Dar în timpul formării unei molecule proteice, nu există o corespondență între cantitatea și calitatea monomerilor (nucleotidele ADN sunt aminoacizi proteici). Acesta este codul ereditar natural - un sistem de înregistrare în secvența de nucleotide (codoni) a secvenței de aminoacizi dintr-o proteină.
Codul genetic are mai multe proprietăți:
- Tripletitate.
- Unicitate.
- Orientare.
- Fără suprapunere.
- Redundanța (degenerarea) codului genetic.
- Versatilitate.
Să facem o scurtă descriere, concentrându-ne pe semnificația biologică.
Tripletitate, continuitate și semafor
Fiecare dintre cei 61 de aminoacizi corespunde unui triplet semantic (triplu) de nucleotide. Trei tripleți nu poartă informații despre aminoacid și sunt codoni stop. Fiecare nucleotidă din lanț face parte dintr-un triplet și nu există de la sine. La sfârșitul și la începutul lanțului de nucleotide responsabile pentru o proteină, există codoni stop. Ele încep sau opresc translația (sinteza unei molecule de proteine).
Specific, fără suprapunere și unidirecțional
Fiecare codon (triplet) codifică doar un aminoacid. Fiecare triplet este independent de cel vecin și nu se suprapune. O nucleotidă poate fi inclusă într-un singur triplet din lanț. Sinteza proteinelor merge întotdeauna într-o singură direcție, care este reglată de codoni stop.
Redundanțe ale codului genetic
Fiecare triplet de nucleotide codifică un aminoacid. Există 64 de nucleotide în total, dintre care 61 codifică aminoacizi (codoni de sens), iar trei sunt lipsite de sens, adică nu codifică un aminoacid (codoni de stop). Redundanța (degenerarea) codului genetic constă în faptul că în fiecare triplet se pot face substituții - radicale (duc la înlocuirea aminoacizilor) și conservatoare (nu se schimbă clasa de aminoacizi). Este ușor de calculat că, dacă se pot face 9 substituții într-un triplet (pozițiile 1, 2 și 3), fiecare nucleotidă poate fi înlocuită cu 4 - 1=alte 3 opțiuni, atunci numărul total de opțiuni posibile de substituție de nucleotide va fi de 61 x 9=549.
Degenerarea codului genetic se manifestă prin faptul că 549 de variante sunt mult mai mult decâtnecesar pentru a codifica informații despre 21 de aminoacizi. În același timp, din 549 de variante, 23 de substituții vor duce la formarea de codoni stop, 134 + 230 de substituții sunt conservatoare, iar 162 de substituții sunt radicale.
Regula degenerării și excluderii
Dacă doi codoni au două primele nucleotide identice, iar restul sunt nucleotide din aceeași clasă (purină sau pirimidină), atunci ei poartă informații despre același aminoacid. Aceasta este regula degenerării sau redundanței codului genetic. Două excepții - AUA și UGA - prima codifică metionina, deși ar trebui să fie izoleucină, iar a doua este un codon stop, deși ar trebui să codifice triptofan.
Semnificația degenerării și a universalității
Aceste două proprietăți ale codului genetic sunt cele care au cea mai mare semnificație biologică. Toate proprietățile enumerate mai sus sunt caracteristice informațiilor ereditare ale tuturor formelor de organisme vii de pe planeta noastră.
Degenerarea codului genetic are o valoare adaptativă, precum duplicarea multiplă a codului unui aminoacid. În plus, aceasta înseamnă o scădere a semnificației (degenerarea) celei de-a treia nucleotide din codon. Această opțiune minimizează daunele mutaționale în ADN, ceea ce va duce la încălcări grave ale structurii proteinei. Acesta este mecanismul de apărare al organismelor vii ale planetei.
