De genetische code, uitgedrukt in codons, is een systeem voor het coderen van informatie over de structuur van eiwitten, inherent aan alle levende organismen op de planeet. Het decoderen ervan duurde een decennium, maar het feit dat het bestaat, begreep de wetenschap bijna een eeuw lang. Universaliteit, specificiteit, eenzijdigheid en vooral de degeneratie van de genetische code zijn van groot biologisch belang.
Ontdekkingsgeschiedenis
Het probleem van het coderen van genetische informatie is altijd een belangrijk probleem geweest in de biologie. De wetenschap bewoog zich nogal langzaam naar de matrixstructuur van de genetische code. Sinds de ontdekking door J. Watson en F. Crick in 1953 van de dubbele helixstructuur van DNA, begon het stadium van het ontrafelen van de structuur van de code, wat leidde tot geloof in de grootsheid van de natuur. De lineaire structuur van eiwitten en dezelfde structuur van DNA impliceerden de aanwezigheid van een genetische code als een overeenkomst van twee teksten, maar geschreven met verschillende alfabetten. En alshet alfabet van eiwitten was bekend, toen werden de tekens van DNA het onderwerp van studie voor biologen, natuurkundigen en wiskundigen.
Het heeft geen zin om alle stappen bij het oplossen van dit raadsel te beschrijven. Een direct experiment, dat bewees en bevestigde dat er een duidelijke en consistente overeenkomst is tussen DNA-codons en eiwitaminozuren, werd in 1964 uitgevoerd door C. Janowski en S. Brenner. En dan - de periode van ontcijfering van de genetische code in vitro (in vitro) met behulp van de technieken van eiwitsynthese in celvrije structuren.
De volledig ontcijferde E. coli-code werd in 1966 openbaar gemaakt op een symposium van biologen in Cold Spring Harbor (VS). Toen werd de redundantie (degeneratie) van de genetische code ontdekt. Wat dit betekent werd heel eenvoudig uitgelegd.
Decodering gaat door
Het verkrijgen van gegevens over het decoderen van de erfelijke code is een van de belangrijkste gebeurtenissen van de vorige eeuw geworden. Tegenwoordig blijft de wetenschap de mechanismen van moleculaire coderingen en zijn systemische kenmerken en een overvloed aan tekens diepgaand bestuderen, wat de eigenschap van de degeneratie van de genetische code uitdrukt. Een aparte tak van onderzoek is de opkomst en evolutie van het coderingssysteem voor erfelijk materiaal. Bewijs van de relatie tussen polynucleotiden (DNA) en polypeptiden (eiwitten) gaf een impuls aan de ontwikkeling van de moleculaire biologie. En dat op zijn beurt weer voor biotechnologie, bio-engineering, ontdekkingen in selectie en gewasproductie.
Dogma's en regels
Het belangrijkste dogma van de moleculaire biologie - informatie wordt overgedragen van DNA naar informatieRNA, en dan van het naar eiwit. In de tegenovergestelde richting is overdracht mogelijk van RNA naar DNA en van RNA naar een ander RNA.
Maar de matrix of basis is altijd DNA. En alle andere fundamentele kenmerken van de overdracht van informatie zijn een weerspiegeling van dit matrixkarakter van de overdracht. Namelijk de overdracht door synthese op de matrix van andere moleculen, die de structuur zullen worden van de reproductie van erfelijke informatie.
Genetische code
Lineaire codering van de structuur van eiwitmoleculen wordt uitgevoerd met behulp van complementaire codons (triplets) van nucleotiden, waarvan er slechts 4 zijn (adeïne, guanine, cytosine, thymine (uracil)), wat spontaan leidt tot de vorming van een andere keten van nucleotiden. Hetzelfde aantal en chemische complementariteit van nucleotiden is de belangrijkste voorwaarde voor een dergelijke synthese. Maar tijdens de vorming van een eiwitmolecuul is er geen overeenkomst tussen de hoeveelheid en kwaliteit van monomeren (DNA-nucleotiden zijn eiwitaminozuren). Dit is de natuurlijke erfelijke code - een systeem om in de volgorde van nucleotiden (codons) de volgorde van aminozuren in een eiwit vast te leggen.
De genetische code heeft verschillende eigenschappen:
- Drievoud.
- Uniek.
- Oriëntatie.
- Niet-overlappend.
- Redundantie (degeneratie) van de genetische code.
- Veelzijdigheid.
Laten we een korte beschrijving geven, met de nadruk op de biologische betekenis.
Drievoud, continuïteit en stoplichten
Elk van de 61 aminozuren komt overeen met één semantisch triplet (triple) van nucleotiden. Drie tripletten dragen geen informatie over het aminozuur en zijn stopcodons. Elk nucleotide in de keten maakt deel uit van een triplet en bestaat niet op zichzelf. Aan het einde en aan het begin van de keten van nucleotiden die verantwoordelijk zijn voor één eiwit, bevinden zich stopcodons. Ze starten of stoppen de translatie (de synthese van een eiwitmolecuul).
Specifiek, niet-overlappend en unidirectioneel
Elk codon (triplet) codeert voor slechts één aminozuur. Elke triplet is onafhankelijk van de aangrenzende en overlapt niet. Eén nucleotide kan in slechts één triplet in de keten worden opgenomen. Eiwitsynthese gaat altijd maar in één richting, die wordt gereguleerd door stopcodons.
Rundanties van de genetische code
Elk triplet van nucleotiden codeert voor één aminozuur. Er zijn in totaal 64 nucleotiden, waarvan 61 coderen voor aminozuren (sense codons), en drie zijn betekenisloos, dat wil zeggen, ze coderen niet voor een aminozuur (stopcodons). De redundantie (degeneratie) van de genetische code ligt in het feit dat in elk triplet substituties kunnen worden gemaakt - radicaal (leidend tot aminozuurvervanging) en conservatief (verander de aminozuurklasse niet). Het is gemakkelijk te berekenen dat als 9 substituties in een triplet kunnen worden gemaakt (posities 1, 2 en 3), elk nucleotide kan worden vervangen door 4 - 1=3 andere opties, dan is het totale aantal mogelijke nucleotidesubstitutieopties 61 x 9=549.
De degeneratie van de genetische code komt tot uiting in het feit dat 549 varianten veel meer zijn dannodig om informatie over 21 aminozuren te coderen. Tegelijkertijd zullen van de 549 varianten 23 substituties leiden tot de vorming van stopcodons, 134 + 230 substituties conservatief en 162 substituties radicaal.
De regel van degeneratie en uitsluiting
Als twee codons twee identieke eerste nucleotiden hebben, en de rest zijn nucleotiden van dezelfde klasse (purine of pyrimidine), dan dragen ze informatie over hetzelfde aminozuur. Dit is de regel van degeneratie of redundantie van de genetische code. Twee uitzonderingen - AUA en UGA - de eerste codeert voor methionine, hoewel het isoleucine zou moeten zijn, en de tweede is een stopcodon, hoewel het voor tryptofaan zou moeten coderen.
De betekenis van degeneratie en universaliteit
Het zijn deze twee eigenschappen van de genetische code die de grootste biologische betekenis hebben. Alle bovengenoemde eigenschappen zijn kenmerkend voor de erfelijke informatie van alle vormen van levende organismen op onze planeet.
De degeneratie van de genetische code heeft een adaptieve waarde, zoals meervoudige duplicatie van de code van één aminozuur. Bovendien betekent dit een afname van de significantie (degeneratie) van het derde nucleotide in het codon. Deze optie minimaliseert mutatieschade in DNA, wat zal leiden tot grove schendingen in de eiwitstructuur. Dit is het verdedigingsmechanisme van de levende organismen van de planeet.
