Siapa yang menemukan kode genetik. Degenerasi kode genetik: informasi umum

Kode genetik biasanya dipahami sebagai suatu sistem tanda yang menunjukkan susunan berurutan senyawa nukleotida dalam DNA dan RNA, yang berhubungan dengan sistem tanda lain yang menampilkan urutan senyawa asam amino dalam suatu molekul protein.

Ini penting!

Ketika para ilmuwan berhasil mempelajari sifat-sifat kode genetik, universalitas diakui sebagai salah satu yang utama. Ya, aneh kedengarannya, semuanya disatukan oleh satu kode genetik yang universal dan umum. Ia terbentuk dalam jangka waktu yang lama, dan prosesnya berakhir sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu. Oleh karena itu, jejak evolusinya dapat ditelusuri dalam struktur kode, dari awal mula hingga saat ini.

Ketika kita berbicara tentang urutan susunan unsur-unsur dalam kode genetik, yang kita maksudkan adalah bahwa itu jauh dari semrawut, tetapi memiliki urutan yang jelas. Dan ini juga sangat menentukan sifat-sifat kode genetik. Hal ini setara dengan susunan huruf dan suku kata dalam kata. Begitu kita melanggar tatanan yang biasa, sebagian besar dari apa yang kita baca di halaman buku atau surat kabar akan berubah menjadi omong kosong yang menggelikan.

Sifat dasar kode genetik

Biasanya kode tersebut berisi beberapa informasi yang dienkripsi dengan cara khusus. Untuk menguraikan kode, Anda perlu mengetahui ciri-ciri khasnya.

Jadi, sifat utama dari kode genetik adalah:

• rangkap tiga;
• degenerasi atau redundansi;
• ketidakjelasan;
• kontinuitas;
• fleksibilitas yang telah disebutkan di atas.

Mari kita lihat lebih dekat setiap properti.

1. Tiga puluh

Ini terjadi ketika tiga senyawa nukleotida membentuk rantai berurutan dalam suatu molekul (yaitu DNA atau RNA). Akibatnya, senyawa triplet dibuat atau dikodekan salah satu asam amino, lokasinya dalam rantai peptida.

Kodon (juga merupakan kata sandi!) dibedakan berdasarkan urutan ikatannya dan berdasarkan jenis senyawa nitrogen (nukleotida) yang menyusunnya.

Dalam genetika, merupakan kebiasaan untuk membedakan 64 jenis kodon. Mereka dapat membentuk kombinasi empat jenis nukleotida, masing-masing 3 jenis. Ini setara dengan menaikkan angka 4 ke pangkat tiga. Dengan demikian, pembentukan 64 kombinasi nukleotida dimungkinkan.

2. Redundansi kode genetik

Properti ini diamati ketika beberapa kodon diperlukan untuk mengenkripsi satu asam amino, biasanya dalam kisaran 2-6. Dan hanya triptofan yang dapat dikodekan menggunakan satu triplet.

3. Ketidakjelasan

Hal ini termasuk dalam sifat kode genetik sebagai indikator pewarisan genetik yang sehat. Misalnya, triplet GAA, yang berada di urutan keenam dalam rantai tersebut, dapat memberi tahu dokter tentang kondisi darah yang baik, tentang hemoglobin normal. Dialah yang membawa informasi tentang hemoglobin, dan juga dikodekan olehnya. Dan jika seseorang menderita anemia, salah satu nukleotidanya diganti dengan huruf lain dari kode - U, yang merupakan sinyal penyakit.

4. Kontinuitas

Saat mencatat sifat kode genetik ini, harus diingat bahwa kodon, seperti mata rantai dalam rantai, terletak tidak pada jarak, tetapi berdekatan, satu demi satu dalam rantai asam nukleat, dan rantai ini tidak terputus - tidak ada awal atau akhir.

5. Keserbagunaan

Kita tidak boleh lupa bahwa segala sesuatu di Bumi disatukan oleh kode genetik yang sama. Oleh karena itu, pada primata dan manusia, pada serangga dan burung, pada pohon baobab berusia seratus tahun, dan pada sehelai rumput yang baru saja muncul dari tanah, kembar tiga serupa mengkodekan asam amino yang serupa.

Di dalam gen terkandung informasi dasar tentang sifat-sifat suatu organisme tertentu, semacam program yang diwarisi organisme tersebut dari mereka yang hidup sebelumnya dan yang ada sebagai kode genetik.

KODE GENETIK(Yunani, genetikos berkaitan dengan asal usul; sin.: kode, kode biologis, kode asam amino, kode protein, kode asam nukleat) - sistem untuk mencatat informasi herediter dalam molekul asam nukleat hewan, tumbuhan, bakteri, dan virus dengan urutan nukleotida yang bergantian.

Informasi genetik (Gbr.) dari sel ke sel, dari generasi ke generasi, kecuali virus RNA, ditularkan melalui reduplikasi molekul DNA (lihat Replikasi). Implementasi informasi herediter DNA selama kehidupan sel dilakukan melalui 3 jenis RNA: informasional (mRNA atau mRNA), ribosom (rRNA) dan transport (tRNA), yang disintesis menggunakan enzim RNA polimerase pada DNA sebagai a matriks. Dalam hal ini, urutan nukleotida dalam molekul DNA secara unik menentukan urutan nukleotida pada ketiga jenis RNA (lihat Transkripsi). Informasi gen (lihat), yang mengkode molekul protein, hanya dibawa oleh mRNA. Produk akhir dari penerapan informasi herediter adalah sintesis molekul protein, yang spesifisitasnya ditentukan oleh urutan asam amino penyusunnya (lihat Terjemahan).

Karena DNA atau RNA hanya mengandung 4 basa nitrogen yang berbeda [dalam DNA - adenin (A), timin (T), guanin (G), sitosin (C); dalam RNA - adenin (A), urasil (U), sitosin (C), guanin (G)], yang urutannya menentukan urutan 20 asam amino dalam protein, muncul masalah GK, yaitu masalah penerjemahan Alfabet asam nukleat 4 huruf menjadi alfabet polipeptida 20 huruf.

Untuk pertama kalinya, gagasan sintesis matriks molekul protein dengan prediksi yang benar tentang sifat-sifat matriks hipotetis dirumuskan oleh N.K. Koltsov pada tahun 1928. Pada tahun 1944, O. Avery et al transmisi karakteristik herediter selama transformasi menjadi pneumokokus . Pada tahun 1948, E. Chargaff menunjukkan bahwa dalam semua molekul DNA terdapat persamaan kuantitatif dari nukleotida yang bersesuaian (A-T, G-C). Pada tahun 1953, F. Crick, J. Watson dan Wilkins (M.H.F. Wilkins), berdasarkan aturan ini dan data difraksi sinar-X (lihat), sampai pada kesimpulan bahwa molekul DNA adalah heliks ganda yang terdiri dari dua benang polinukleotida yang terhubung ke masing-masing lainnya melalui ikatan hidrogen. Selain itu, hanya T yang dapat melawan A dari satu rantai di rantai kedua, dan hanya C yang dapat melawan G. Saling melengkapi ini mengarah pada fakta bahwa urutan nukleotida dari satu rantai secara unik menentukan urutan rantai lainnya. Kesimpulan penting kedua yang dihasilkan dari model ini adalah bahwa molekul DNA mampu bereproduksi sendiri.

Pada tahun 1954, G. Gamow merumuskan masalah persamaan geometri dalam bentuk modernnya. Pada tahun 1957, F. Crick mengungkapkan Hipotesis Adaptor, yang menyatakan bahwa asam amino berinteraksi dengan asam nukleat tidak secara langsung, tetapi melalui perantara (sekarang dikenal sebagai tRNA). Pada tahun-tahun berikutnya, semua hubungan mendasar dalam skema umum transmisi informasi genetik, yang awalnya bersifat hipotetis, telah dikonfirmasi secara eksperimental. Pada tahun 1957, mRNA ditemukan [A. S. Spirin, A. N. Belozersky dkk.; Folkin dan Astrachan (E. Volkin, L. Astrachan)] dan tRNA [Hoagland (M.V. Hoagland)]; pada tahun 1960, DNA disintesis di luar sel menggunakan makromolekul DNA yang ada sebagai matriks (A. Kornberg) dan sintesis RNA yang bergantung pada DNA ditemukan [S. B. Weiss et al.]. Pada tahun 1961, sistem bebas sel diciptakan, di mana zat mirip protein disintesis dengan adanya RNA alami atau poliribonukleotida sintetik [M. Nirenberg dan Matthaei (J.H. Matthaei)]. Masalah kognisi kode terdiri dari mempelajari sifat-sifat umum kode dan menguraikannya secara aktual, yaitu mencari tahu kombinasi nukleotida (kodon) mana yang mengkode asam amino tertentu.

Sifat-sifat umum kode diklarifikasi secara independen dari penguraiannya dan terutama sebelumnya dengan menganalisis pola molekuler dari pembentukan mutasi (F. Krick et al., 1961; N.V. Luchnik, 1963). Intinya adalah sebagai berikut:

1. Kode ini bersifat universal, yaitu identik, setidaknya pada dasarnya, untuk semua makhluk hidup.

2. Kodenya triplet, yaitu setiap asam amino dikodekan oleh triplet nukleotida.

3. Kodenya tidak tumpang tindih, yaitu suatu nukleotida tertentu tidak dapat menjadi bagian dari lebih dari satu kodon.

4. Kodenya merosot, yaitu satu asam amino dapat dikodekan oleh beberapa kembar tiga.

5. Informasi tentang struktur primer protein dibaca dari mRNA secara berurutan, dimulai dari titik tetap.

6. Kemungkinan besar kembar tiga memiliki “akal”, yaitu mengkode asam amino.

7. Dari tiga “huruf” suatu kodon, hanya dua (wajib) yang memiliki arti dominan, sedangkan huruf ketiga (opsional) membawa informasi yang jauh lebih sedikit.

Penguraian kode secara langsung akan terdiri dari membandingkan urutan nukleotida dalam gen struktural (atau mRNA yang disintesis di dalamnya) dengan urutan asam amino dalam protein yang sesuai. Namun, jalur seperti itu secara teknis belum memungkinkan. Dua cara lain digunakan: sintesis protein dalam sistem bebas sel menggunakan poliribonukleotida buatan dengan komposisi yang diketahui sebagai matriks dan analisis pola molekuler dari pembentukan mutasi (lihat). Yang pertama membawa hasil positif sebelumnya dan secara historis memainkan peran besar dalam menguraikan G.k.

Pada tahun 1961, M. Nirenberg dan Mattei menggunakan homo-polimer sebagai matriks - asam poliuridil sintetik (yaitu RNA buatan dengan komposisi UUUU...) dan memperoleh polifenilalanin. Oleh karena itu, kodon fenilalanin terdiri dari beberapa U, yaitu dalam hal kode triplet diuraikan sebagai UUU. Belakangan, bersama dengan homopolimer, poliribonukleotida, yang terdiri dari nukleotida berbeda, digunakan. Pada saat yang sama, hanya komposisi polimer yang diketahui, letak nukleotida di dalamnya bersifat statistik, oleh karena itu analisis hasilnya bersifat statistik dan memberikan kesimpulan tidak langsung. Dengan cepat dimungkinkan untuk menemukan setidaknya satu triplet untuk seluruh 20 asam amino. Ternyata keberadaan pelarut organik, perubahan pH atau suhu, beberapa kation dan terutama antibiotik membuat kode menjadi ambigu: kodon yang sama mulai merangsang masuknya asam amino lain, dalam beberapa kasus satu kodon mulai mengkode hingga empat asam amino yang berbeda. Streptomisin memengaruhi pembacaan informasi baik dalam sistem bebas sel maupun in vivo, dan hanya efektif pada strain bakteri yang sensitif terhadap streptomisin. Pada strain yang bergantung pada streptomisin, ia “mengoreksi” pembacaan kodon yang telah berubah akibat mutasi. Hasil serupa memberikan alasan untuk meragukan kebenaran penguraian kode G. menggunakan sistem bebas sel; konfirmasi diperlukan, terutama dengan data in vivo.

Data utama G. to. in vivo diperoleh dengan menganalisis komposisi asam amino protein pada organisme yang diberi mutagen (lihat) dengan mekanisme kerja yang diketahui, misalnya nitrogen, yang menyebabkan penggantian C dalam molekul DNA. dengan U dan A dengan D. Informasi berguna juga diberikan melalui analisis mutasi yang disebabkan oleh mutagen nonspesifik, perbandingan perbedaan struktur primer protein terkait pada spesies berbeda, korelasi antara komposisi DNA dan protein, dll.

Penguraian G. to. berdasarkan data in vivo dan in vitro memberikan hasil yang sesuai. Kemudian, tiga metode lain untuk menguraikan kode dalam sistem bebas sel dikembangkan: pengikatan aminoasil-tRNA (yaitu, tRNA dengan asam amino teraktivasi yang melekat) dengan trinukleotida dengan komposisi yang diketahui (M. Nirenberg et al., 1965), pengikatan aminoasil-tRNA dengan polinukleotida yang dimulai dengan triplet tertentu (Mattei et al., 1966), dan penggunaan polimer sebagai mRNA, yang tidak hanya diketahui komposisinya, tetapi juga urutan nukleotidanya (X. Korana et al. , 1965). Ketiga metode tersebut saling melengkapi dan hasilnya sesuai dengan data yang diperoleh percobaan in vivo.

Di tahun 70an abad ke-20 metode telah muncul untuk verifikasi yang sangat andal dari hasil penguraian kode G. k. Diketahui bahwa mutasi yang terjadi di bawah pengaruh proflavin terdiri dari hilangnya atau penyisipan nukleotida individu, yang menyebabkan pergeseran kerangka pembacaan. Pada fag T4, sejumlah mutasi disebabkan oleh proflavin, sehingga komposisi lisozim berubah. Komposisi ini dianalisis dan dibandingkan dengan kodon-kodon yang seharusnya dihasilkan dari pergeseran bingkai. Hasilnya adalah kepatuhan penuh. Selain itu, metode ini memungkinkan untuk menentukan triplet mana dari kode degenerasi yang mengkode masing-masing asam amino. Pada tahun 1970, J. M. Adams dan rekan kerjanya berhasil menguraikan sebagian G. c. dengan metode langsung: dalam fag R17, urutan basa dalam fragmen sepanjang 57 nukleotida ditentukan dan dibandingkan dengan urutan asam amino dari protein selubungnya. . Hasilnya sepenuhnya konsisten dengan hasil yang diperoleh dengan metode yang tidak terlalu langsung. Dengan demikian, kode tersebut telah didekripsi dengan lengkap dan benar.

Hasil decoding dirangkum dalam sebuah tabel. Ini menunjukkan komposisi kodon dan RNA. Komposisi antikodon tRNA melengkapi kodon mRNA, yaitu sebagai pengganti Y, mereka mengandung A, sebagai pengganti A - U, sebagai pengganti C - G dan sebagai ganti G - C, dan sesuai dengan kodon gen struktural (untai DNA dari mana informasi dibaca) dengan satu-satunya perbedaan bahwa urasil menggantikan timin. Dari 64 kembar tiga yang dapat dibentuk oleh kombinasi 4 nukleotida, 61 memiliki “akal”, yaitu mengkode asam amino, dan 3 “tidak masuk akal” (tidak berarti). Ada hubungan yang cukup jelas antara komposisi triplet dan maknanya, yang ditemukan saat menganalisis sifat umum kode. Dalam beberapa kasus, kembar tiga yang mengkode asam amino tertentu (misalnya, prolin, alanin) dicirikan oleh fakta bahwa dua nukleotida pertama (obligat) adalah sama, dan nukleotida ketiga (opsional) dapat berupa apa saja. Dalam kasus lain (saat mengkode, misalnya, asparagin, glutamin), dua kembar tiga serupa memiliki arti yang sama, di mana dua nukleotida pertama bertepatan, dan yang ketiga ada purin atau pirimidin.

Kodon yang tidak masuk akal, 2 di antaranya memiliki nama khusus yang sesuai dengan sebutan mutan fag (UAA-oker, UAG-amber, UGA-opal), meskipun tidak mengkodekan asam amino apa pun, sangat penting saat membaca informasi, mengkode akhir dari rantai polipeptida.

Pembacaan informasi terjadi pada arah dari 5 1 -> 3 1 - ke ujung rantai nukleotida (lihat Asam deoksiribonukleat). Dalam hal ini sintesis protein berlangsung dari asam amino dengan gugus amino bebas menjadi asam amino dengan gugus karboksil bebas. Permulaan sintesis dikodekan oleh triplet AUG dan GUG, yang dalam hal ini meliputi aminoasil-tRNA awal yang spesifik, yaitu N-formylmethionyl-tRNA. Kembar tiga yang sama, ketika dilokalisasi dalam rantai, masing-masing mengkode metionin dan valin. Ketidakjelasan tersebut dihilangkan dengan fakta bahwa permulaan membaca didahului oleh omong kosong. Terdapat bukti bahwa batas antara daerah mRNA yang mengkode protein berbeda terdiri dari lebih dari dua kembar tiga dan struktur sekunder RNA berubah di tempat ini; masalah ini sedang diteliti. Jika kodon yang tidak masuk akal muncul di dalam gen struktural, maka protein yang sesuai hanya dibangun di lokasi kodon ini.

Penemuan dan penguraian kode genetik - sebuah pencapaian luar biasa dalam biologi molekuler - memengaruhi semua ilmu biologi, dalam beberapa kasus menandai dimulainya pengembangan bagian besar khusus (lihat Genetika molekuler). Pengaruh penemuan G. dan penelitian terkait dibandingkan dengan pengaruh teori Darwin terhadap ilmu biologi.

Universalitas genetika adalah bukti langsung dari universalitas mekanisme molekuler dasar kehidupan di semua perwakilan dunia organik. Sementara itu, perbedaan besar dalam fungsi peralatan genetik dan strukturnya selama transisi dari prokariota ke eukariota dan dari organisme uniseluler ke multiseluler mungkin terkait dengan perbedaan molekuler, yang studinya merupakan salah satu tugas masa depan. Karena penelitian G. baru dilakukan beberapa tahun terakhir, maka signifikansi hasil yang diperoleh untuk pengobatan praktis hanya bersifat tidak langsung, memungkinkan kita untuk memahami sifat penyakit dan mekanisme kerja patogen dan bahan obat. Namun, penemuan fenomena seperti transformasi (lihat), transduksi (lihat), penindasan (lihat), menunjukkan kemungkinan mendasar untuk mengoreksi informasi herediter yang berubah secara patologis atau koreksinya - yang disebut. rekayasa genetika (lihat).

Meja. KODE GENETIK

Nukleotida pertama kodon	Nukleotida kedua kodon								Ketiga, kodon nukleotida
		Fenilalanin
						J Omong kosong
								triptofan
						Histidin
						Asam glutamat
		Isoleusin				Aspartik
		Metionin
						Asparagin
						Glutamin

* Mengkodekan akhir rantai.

** Juga mengkodekan awal rantai.

Bibliografi: Ichas M. Kode biologis, trans. dari bahasa Inggris, M., 1971; Pemanah N.B. Biofisika lesi sitogenetik dan kode genetik, L., 1968; Genetika molekuler, trans. dari bahasa Inggris, ed. A. N. Belozersky, bagian 1, M., 1964; Asam nukleat, trans. dari bahasa Inggris, ed. A.N.Belozersky, M., 1965; Watson J.D. Biologi molekuler gen, trans. dari bahasa Inggris, M., 1967; Genetika fisiologis, ed. M.E.Lobasheva S.G., Inge-Vechtomova, L., 1976, bibliogr.; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, jam. v„ E. Geissler, B., 1972; Kode genetik, Gold Spr. Harb. Gejala. bergalah. Biol., v. 31 Tahun 1966; W o e s e C. R. Kode genetik, N. Y. a. o., 1967.

KODE GENETIK, suatu sistem pencatatan informasi keturunan berupa rangkaian basa nukleotida dalam molekul DNA (pada beberapa virus - RNA), yang menentukan struktur primer (lokasi residu asam amino) dalam molekul protein (polipeptida). Masalah kode genetik dirumuskan setelah membuktikan peran genetik DNA (ahli mikrobiologi Amerika O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) dan menguraikan strukturnya (J. Watson, F. Crick, 1953), setelah menetapkan bahwa gen menentukan struktur dan fungsi enzim (prinsip “satu gen - satu enzim” oleh J. Beadle dan E. Tatem, 1941) dan adanya ketergantungan struktur spasial dan aktivitas protein pada struktur utamanya. (F.Sanger, 1955). Pertanyaan tentang bagaimana kombinasi 4 basa asam nukleat menentukan pergantian 20 residu asam amino umum dalam polipeptida pertama kali diajukan oleh G. Gamow pada tahun 1954.

Berdasarkan percobaan di mana mereka mempelajari interaksi penyisipan dan penghapusan sepasang nukleotida pada salah satu gen bakteriofag T4, F. Crick dan ilmuwan lain pada tahun 1961 menentukan sifat umum kode genetik: tripletitas, yaitu, setiap residu asam amino dalam rantai polipeptida berhubungan dengan sekumpulan tiga basa (triplet, atau kodon) dalam DNA suatu gen; pembacaan kodon dalam suatu gen terjadi dari suatu titik tetap, dalam satu arah dan “tanpa koma”, yaitu kodon-kodon tersebut tidak dipisahkan oleh tanda apa pun satu sama lain; degenerasi, atau redundansi - residu asam amino yang sama dapat dikodekan oleh beberapa kodon (kodon sinonim). Penulis berasumsi bahwa kodon tidak tumpang tindih (setiap basa hanya dimiliki oleh satu kodon). Studi langsung tentang kapasitas pengkodean kembar tiga dilanjutkan dengan menggunakan sistem sintesis protein bebas sel di bawah kendali RNA pembawa pesan sintetik (mRNA). Pada tahun 1965, kode genetik telah diuraikan sepenuhnya dalam karya S. Ochoa, M. Nirenberg dan H. G. Korana. Mengungkap rahasia kode genetik merupakan salah satu pencapaian luar biasa biologi di abad ke-20.

Implementasi kode genetik dalam sel terjadi selama dua proses matriks - transkripsi dan translasi. Mediator antara gen dan protein adalah mRNA, yang terbentuk selama transkripsi pada salah satu untai DNA. Dalam hal ini, rangkaian basa DNA yang membawa informasi tentang struktur primer protein “ditulis ulang” dalam bentuk rangkaian basa mRNA. Kemudian, selama translasi pada ribosom, urutan nukleotida mRNA dibaca oleh transfer RNA (tRNA). Yang terakhir memiliki ujung akseptor, tempat residu asam amino melekat, dan ujung adaptor, atau triplet antikodon, yang mengenali kodon mRNA yang sesuai. Interaksi kodon dan antikodon terjadi berdasarkan pasangan basa komplementer: Adenin (A) - Urasil (U), Guanin (G) - Sitosin (C); dalam hal ini, urutan basa mRNA diterjemahkan ke dalam urutan asam amino dari protein yang disintesis. Organisme yang berbeda menggunakan kodon sinonim yang berbeda dengan frekuensi berbeda untuk asam amino yang sama. Pembacaan mRNA yang mengkode rantai polipeptida dimulai (diinisiasi) dengan kodon AUG yang sesuai dengan asam amino metionin. Lebih jarang, pada prokariota, kodon inisiasi adalah GUG (valin), UUG (leusin), AUU (isoleusin), dan pada eukariota - UUG (leusin), AUA (isoleusin), ACG (treonin), CUG (leusin). Hal ini menetapkan apa yang disebut kerangka, atau fase, pembacaan selama translasi, yaitu, kemudian seluruh rangkaian nukleotida mRNA dibaca triplet demi triplet tRNA hingga salah satu dari tiga kodon terminator, yang sering disebut kodon stop, ditemui pada mRNA: UAA, UAG, UGA (tabel). Pembacaan kembar tiga ini mengarah pada selesainya sintesis rantai polipeptida.

Kodon AUG dan kodon stop masing-masing muncul di awal dan akhir daerah mRNA yang mengkode polipeptida.

Kode genetik bersifat kuasi-universal. Artinya terdapat sedikit variasi dalam arti beberapa kodon antar objek, dan ini terutama berlaku pada kodon terminator, yang mungkin signifikan; misalnya, dalam mitokondria beberapa eukariota dan mikoplasma, UGA mengkodekan triptofan. Selain itu, pada beberapa mRNA bakteri dan eukariota, UGA mengkodekan asam amino yang tidak biasa - selenocysteine, dan UAG di salah satu archaebacteria - pyrrolysine.

Ada sudut pandang yang menyatakan bahwa kode genetik muncul secara kebetulan (“hipotesis “kebetulan beku”). Kemungkinan besar hal itu berevolusi. Asumsi ini didukung oleh adanya versi kode yang lebih sederhana dan tampaknya lebih kuno, yang dibaca di mitokondria menurut aturan “dua dari tiga”, ketika asam amino ditentukan hanya oleh dua dari tiga basa. dalam kembar tiga.

Lit.: Crick F.N.a. HAI. Sifat umum kode genetik protein // Alam. 1961. Jil. 192; Kode genetik. NY, 1966; Ichas M. Kode biologis. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Bagaimana kode genetik dibaca: aturan dan pengecualian // Ilmu pengetahuan alam modern. M., 2000.Vol.8; Ratner V. A. Kode genetik sebagai suatu sistem // Jurnal pendidikan Soros. 2000.Vol.6.No.3.

S.G.Inge-Vechtomov.

Klasifikasi gen

1) Berdasarkan sifat interaksi pada pasangan alel:

Dominan (gen yang mampu menekan manifestasi gen resesif yang bersifat alelik); - resesif (gen yang ekspresinya ditekan oleh gen dominan aleliknya).

2) Klasifikasi fungsional:

2) Kode genetik- ini adalah kombinasi nukleotida tertentu dan urutan lokasinya dalam molekul DNA. Ini adalah karakteristik metode semua organisme hidup dalam mengkode urutan asam amino protein menggunakan urutan nukleotida.

DNA menggunakan empat nukleotida - adenin (A), guanin (G), sitosin (C), timin (T), yang dalam literatur Rusia ditandai dengan huruf A, G, T dan C. Huruf-huruf ini membentuk alfabet dari kode genetik. RNA menggunakan nukleotida yang sama, kecuali timin, yang digantikan oleh nukleotida serupa - urasil, yang dilambangkan dengan huruf U (U dalam literatur berbahasa Rusia). Dalam molekul DNA dan RNA, nukleotida disusun dalam rantai dan dengan demikian diperoleh urutan huruf genetik.

Kode genetik

Untuk membangun protein di alam, 20 asam amino berbeda digunakan. Setiap protein adalah suatu rantai atau beberapa rantai asam amino dalam urutan yang ditentukan secara ketat. Urutan ini menentukan struktur protein, dan juga semua sifat biologisnya. Himpunan asam amino juga bersifat universal untuk hampir semua organisme hidup.

Implementasi informasi genetik dalam sel hidup (yaitu sintesis protein yang dikodekan oleh gen) dilakukan dengan menggunakan dua proses matriks: transkripsi (yaitu sintesis mRNA pada matriks DNA) dan translasi kode genetik. menjadi urutan asam amino (sintesis rantai polipeptida pada matriks mRNA). Tiga nukleotida berturut-turut cukup untuk mengkodekan 20 asam amino, serta sinyal berhenti yang menunjukkan akhir rangkaian protein. Himpunan tiga nukleotida disebut triplet. Singkatan yang diterima terkait dengan asam amino dan kodon ditunjukkan pada gambar.

Sifat-sifat kode genetik

1. Tiga puluh- satuan kode yang bermakna adalah kombinasi tiga nukleotida (triplet, atau kodon).

2. Kontinuitas- tidak ada tanda baca di antara kembar tiga, sehingga informasi dibaca terus menerus.

3. Kebijaksanaan- nukleotida yang sama tidak dapat menjadi bagian dari dua atau lebih kembar tiga secara bersamaan.

4. Kekhususan- kodon spesifik hanya berhubungan dengan satu asam amino.

5. Degenerasi (redundansi)- beberapa kodon dapat berhubungan dengan asam amino yang sama.

6. Keserbagunaan - kode genetik bekerja dengan cara yang sama pada organisme dengan tingkat kompleksitas yang berbeda - dari virus hingga manusia. (metode rekayasa genetika didasarkan pada ini)

3) transkripsi - proses sintesis RNA menggunakan DNA sebagai cetakan yang terjadi pada semua sel hidup. Dengan kata lain, ini adalah transfer informasi genetik dari DNA ke RNA.

Transkripsi dikatalisis oleh enzim RNA polimerase yang bergantung pada DNA. Proses sintesis RNA berlangsung dari arah ujung 5" ke ujung 3", yaitu sepanjang untai cetakan DNA, RNA polimerase bergerak ke arah 3"->5"

Transkripsi terdiri dari tahapan inisiasi, elongasi dan terminasi.

Inisiasi transkripsi- proses kompleks yang bergantung pada urutan DNA di dekat urutan yang ditranskripsi (dan pada eukariota juga pada bagian genom yang lebih jauh - peningkat dan peredam suara) dan pada ada tidaknya berbagai faktor protein.

Pemanjangan- pelepasan DNA lebih lanjut dan sintesis RNA di sepanjang rantai pengkodean terus berlanjut. itu, seperti sintesis DNA, terjadi pada arah 5-3

Penghentian- segera setelah polimerase mencapai terminator, ia segera berpisah dari DNA, hibrid DNA-RNA lokal dihancurkan dan RNA yang baru disintesis diangkut dari nukleus ke sitoplasma, dan transkripsi selesai.

Pengolahan- serangkaian reaksi yang mengarah pada transformasi produk utama transkripsi dan translasi menjadi molekul yang berfungsi. Molekul prekursor yang tidak aktif secara fungsional terkena P. asam ribonukleat (tRNA, rRNA, mRNA) dan banyak lainnya. protein.

Dalam proses sintesis enzim katabolik (penguraian substrat), sintesis enzim yang diinduksi terjadi pada prokariota. Hal ini memberikan sel kesempatan untuk beradaptasi dengan kondisi lingkungan dan menghemat energi dengan menghentikan sintesis enzim yang sesuai jika kebutuhan akan enzim tersebut hilang.
Untuk menginduksi sintesis enzim katabolik, diperlukan kondisi berikut:

1. Enzim disintesis hanya ketika pemecahan substrat yang sesuai diperlukan untuk sel.
2. Konsentrasi substrat dalam medium harus melebihi tingkat tertentu sebelum enzim yang sesuai dapat terbentuk.
Mekanisme regulasi ekspresi gen pada Escherichia coli paling baik dipelajari dengan menggunakan contoh lac operon, yang mengontrol sintesis tiga enzim katabolik yang memecah laktosa. Jika terdapat banyak glukosa dan sedikit laktosa di dalam sel, promotor tetap tidak aktif, dan protein represor terletak pada operator - transkripsi lac operon diblokir. Ketika jumlah glukosa dalam medium, dan karenanya di dalam sel, berkurang, dan laktosa meningkat, peristiwa berikut terjadi: jumlah siklik adenosin monofosfat meningkat, ia berikatan dengan protein CAP - kompleks ini mengaktifkan promotor yang mana RNA polimerase mengikat; pada saat yang sama, kelebihan laktosa berikatan dengan protein penekan dan melepaskan operator darinya - jalur terbuka untuk RNA polimerase, transkripsi gen struktural lac operon dimulai. Laktosa bertindak sebagai penginduksi sintesis enzim yang memecahnya.

5) Regulasi ekspresi gen pada eukariota jauh lebih rumit. Berbagai jenis sel organisme eukariotik multiseluler mensintesis sejumlah protein identik dan pada saat yang sama mereka berbeda satu sama lain dalam sekumpulan protein khusus untuk sel jenis tertentu. Tingkat produksinya bergantung pada jenis sel, serta tahap perkembangan organisme. Regulasi ekspresi gen dilakukan pada tingkat sel dan organisme. Gen sel eukariotik dibagi menjadi dua tipe utama: yang pertama menentukan universalitas fungsi seluler, yang kedua menentukan (menentukan) fungsi seluler khusus. Fungsi gen kelompok pertama muncul di semua sel. Untuk menjalankan fungsi yang terdiferensiasi, sel-sel khusus harus mengekspresikan sekumpulan gen tertentu.
Kromosom, gen, dan operon sel eukariotik memiliki sejumlah ciri struktural dan fungsional, yang menjelaskan kompleksitas ekspresi gen.
1. Operon sel eukariotik memiliki beberapa gen – pengatur, yang dapat terletak pada kromosom yang berbeda.
2. Gen struktural yang mengontrol sintesis enzim dari satu proses biokimia dapat terkonsentrasi di beberapa operon, terletak tidak hanya di satu molekul DNA, tetapi juga di beberapa molekul.
3. Urutan kompleks suatu molekul DNA. Ada bagian informatif dan non-informatif, urutan nukleotida informatif yang unik dan berulang berulang kali.
4. Gen eukariotik terdiri dari ekson dan intron, dan pematangan mRNA disertai dengan eksisi intron dari transkrip RNA primer yang sesuai (pro-RNA), yaitu. penyambungan.
5. Proses transkripsi gen bergantung pada keadaan kromatin. Pemadatan DNA lokal sepenuhnya menghambat sintesis RNA.
6. Transkripsi pada sel eukariotik tidak selalu dikaitkan dengan translasi. MRNA yang disintesis dapat disimpan dalam waktu lama dalam bentuk informasiosom. Transkripsi dan terjemahan terjadi di kompartemen yang berbeda.
7. Beberapa gen eukariotik memiliki lokalisasi yang tidak konsisten (gen labil atau transposon).
8. Metode biologi molekuler telah mengungkapkan efek penghambatan protein histon pada sintesis mRNA.
9. Selama perkembangan dan diferensiasi organ, aktivitas gen bergantung pada hormon yang beredar dalam tubuh dan menimbulkan reaksi spesifik pada sel tertentu. Pada mamalia, kerja hormon seks sangatlah penting.
10. Pada eukariota, pada setiap tahap entogenesis, 5-10% gen diekspresikan, sisanya harus diblokir.

6) perbaikan materi genetik

Perbaikan genetik- proses menghilangkan kerusakan genetik dan memulihkan alat keturunan, yang terjadi dalam sel organisme hidup di bawah pengaruh enzim khusus. Kemampuan sel untuk memperbaiki kerusakan genetik pertama kali ditemukan pada tahun 1949 oleh ahli genetika Amerika A. Kellner. Memperbaiki- fungsi khusus sel, yang terdiri dari kemampuan untuk memperbaiki kerusakan kimia dan kerusakan molekul DNA yang rusak selama biosintesis DNA normal di dalam sel atau akibat paparan agen fisik atau kimia. Hal ini dilakukan oleh sistem enzim khusus sel. Sejumlah penyakit keturunan (misalnya xeroderma pigmentosum) berhubungan dengan gangguan sistem perbaikan.

jenis reparasi:

Perbaikan langsung adalah cara paling sederhana untuk menghilangkan kerusakan pada DNA, yang biasanya melibatkan enzim spesifik yang dapat dengan cepat (biasanya dalam satu tahap) menghilangkan kerusakan terkait, memulihkan struktur asli nukleotida. Hal ini terjadi, misalnya, dengan O6-methylguanine DNA methyltransferase, yang menghilangkan gugus metil dari basa nitrogen menjadi salah satu residu sisteinnya sendiri.

Serangkaian pasal yang memaparkan asal-usul KUH Perdata dapat dimaknai sebagai penyelidikan terhadap peristiwa-peristiwa yang masih banyak jejaknya. Namun, memahami artikel ini memerlukan beberapa upaya untuk memahami mekanisme molekuler sintesis protein. Artikel ini adalah artikel pengantar untuk serangkaian publikasi otomatis yang membahas asal usul kode genetik, dan merupakan tempat terbaik untuk mulai mengenal topik ini.
Biasanya kode genetik(GC) didefinisikan sebagai metode (aturan) untuk mengkode suatu protein pada struktur primer DNA atau RNA. Dalam literatur paling sering ditulis bahwa ini adalah korespondensi unik dari urutan tiga nukleotida dalam suatu gen dengan satu asam amino dalam protein yang disintesis atau titik akhir sintesis protein. Namun, ada dua kesalahan dalam definisi ini. Ini mengacu pada 20 asam amino kanonik, yang merupakan bagian dari protein semua organisme hidup tanpa kecuali. Asam amino ini adalah monomer protein. Kesalahannya adalah sebagai berikut:

1) Asam amino kanonik tidak ada 20, tetapi hanya 19. Asam amino dapat disebut zat yang secara bersamaan mengandung gugus amino -NH 2 dan gugus karboksil - COOH. Faktanya adalah bahwa monomer protein - prolin - bukanlah asam amino, karena mengandung gugus imino dan bukan gugus amino, oleh karena itu lebih tepat menyebut prolin sebagai asam imino. Namun, di masa depan, di semua artikel yang membahas tentang HA, untuk kenyamanan, saya akan menulis sekitar 20 asam amino, yang menyiratkan nuansa yang ditentukan. Struktur asam amino ditunjukkan pada Gambar. 1.

Beras. 1. Struktur asam amino kanonik. Asam amino memiliki bagian konstan, ditandai dengan warna hitam pada gambar, dan bagian variabel (atau radikal), ditandai dengan warna merah.

2) Korespondensi asam amino dengan kodon tidak selalu jelas. Untuk pelanggaran kasus yang tidak ambigu, lihat di bawah.

Munculnya GC berarti munculnya sintesis protein yang dikodekan. Peristiwa ini merupakan salah satu peristiwa penting bagi pembentukan evolusi organisme hidup pertama.

Struktur HA disajikan dalam bentuk lingkaran pada Gambar. 2.

Beras. 2. Kode genetik dalam bentuk lingkaran. Lingkaran dalam adalah huruf pertama kodon, yang kedua lingkaran - huruf kedua kodon, lingkaran ketiga - huruf ketiga kodon, lingkaran keempat - sebutan asam amino dalam singkatan tiga huruf; P - asam amino polar, NP - asam amino non-polar. Untuk kejelasan simetri, urutan simbol yang dipilih adalah penting U - C - A - G .

Jadi, mari kita mulai menjelaskan sifat-sifat utama HA.

1. Tripletitas. Setiap asam amino dikodekan oleh urutan tiga nukleotida.

2. Kehadiran tanda baca antargenik. Tanda baca antargenik mencakup rangkaian asam nukleat yang menjadi awal atau akhir penerjemahan.

Penerjemahan tidak dapat dimulai dari kodon mana pun, tetapi hanya dari kodon yang ditentukan secara ketat - memulai. Kodon awal mencakup triplet AUG, tempat penerjemahan dimulai. Dalam hal ini, triplet ini mengkode metionin atau asam amino lain - formilmetionin (dalam prokariota), yang hanya dapat dimasukkan pada awal sintesis protein. Pada akhir setiap gen yang mengkode polipeptida setidaknya terdapat satu dari 3 menghentikan kodon, atau lampu rem: UAA, UAG, UGA. Mereka menghentikan translasi (yang disebut sintesis protein pada ribosom).

3. Kekompakan, atau tidak adanya tanda baca intragenik. Dalam suatu gen, setiap nukleotida merupakan bagian dari kodon yang signifikan.

4. Tidak tumpang tindih. Kodon tidak tumpang tindih satu sama lain; masing-masing memiliki kumpulan nukleotida yang terurut, yang tidak tumpang tindih dengan kumpulan kodon tetangga yang serupa.

5. Degenerasi. Kebalikan dari arah asam amino ke kodon masih ambigu. Properti ini disebut degenerasi. Seri adalah sekumpulan kodon yang mengkode satu asam amino, dengan kata lain merupakan suatu gugus kodon yang setara. Anggaplah kodon sebagai XYZ. Jika XY menentukan “rasa” (yaitu asam amino), maka kodon disebut kuat. Jika untuk menentukan arti suatu kodon diperlukan Z tertentu, maka disebut kodon tersebut lemah.

Degenerasi kode ini berkaitan erat dengan ambiguitas pasangan kodon-antikodon (antikodon berarti rangkaian tiga nukleotida pada tRNA, yang dapat berpasangan secara komplementer dengan kodon pada messenger RNA (lihat dua artikel untuk rincian lebih lanjut mengenai hal ini: Mekanisme molekuler untuk memastikan degenerasi kode Dan aturan Lagerquist. Pembenaran fisika-kimia atas kesimetrian dan hubungan Rumer). Satu antikodon pada tRNA dapat mengenali satu hingga tiga kodon pada mRNA.

6.Ketidakjelasan. Setiap triplet hanya mengkodekan satu asam amino atau merupakan terminator translasi.

Ada tiga pengecualian yang diketahui.

Pertama. Pada prokariota, di posisi pertama (huruf kapital) ia mengkodekan formilmetionin, dan di posisi lain - metionin. Pada awal gen, formilmetionin dikodekan oleh kodon metionin biasa AUG dan juga kodon valin GUG atau leusin UUG, yang di dalam gen masing-masing mengkode valin dan leusin.

Dalam banyak protein, formilmetionin dibelah atau gugus formil dihilangkan, sehingga formilmetionin diubah menjadi metionin biasa.

Kedua. Pada tahun 1986, beberapa kelompok peneliti menemukan bahwa kodon stop UGA pada mRNA dapat mengkode selenosistein (lihat Gambar 3), asalkan diikuti oleh urutan nukleotida khusus.

Beras. 3. Struktur asam amino ke-21 - selenocysteine.

kamu E.coli(ini adalah nama latin untuk Escherichia coli) selenocysteyl-tRNA selama penerjemahan mengenali kodon UGA dalam mRNA, tetapi hanya dalam konteks tertentu: untuk mengenali kodon UGA sebagai bermakna, rangkaian panjang 45 nukleotida yang terletak setelah kodon UGA itu penting.

Contoh yang diberikan menunjukkan bahwa, jika perlu, organisme hidup dapat mengubah arti kode genetik standar. Dalam hal ini, informasi genetik yang terkandung dalam gen dikodekan dengan cara yang lebih kompleks. Arti kodon ditentukan dalam konteks rangkaian nukleotida spesifik yang diperluas dan dengan partisipasi beberapa faktor protein yang sangat spesifik. Penting bahwa selenocysteine ​​​​tRNA ditemukan di perwakilan ketiga cabang kehidupan (archaea, eubacteria, dan eukariota), yang menunjukkan asal muasal sintesis selenocysteine ​​​​​​, dan kemungkinan keberadaannya pada nenek moyang universal terakhir (yang akan dibahas di artikel lain). Kemungkinan besar, selenocysteine ​​​​ditemukan di semua organisme hidup tanpa kecuali. Namun pada organisme mana pun, selenosistein ditemukan tidak lebih dari lusinan protein. Ini adalah bagian dari pusat aktif enzim, di sejumlah homolognya sistein biasa dapat berfungsi dalam posisi yang sama.

Sampai saat ini, diyakini bahwa kodon UGA dapat dibaca sebagai selenocysteine ​​​​​​atau terminal, tetapi baru-baru ini diketahui bahwa pada ciliates Euplot Kodon UGA mengkode sistein atau selenosistein. cm. Kode genetik memungkinkan adanya perbedaan"

Pengecualian ketiga. Beberapa prokariota (5 spesies archaea dan satu eubacterium - informasi di Wikipedia sudah sangat ketinggalan jaman) mengandung asam khusus - pirolisin (Gbr. 4). Itu dikodekan oleh triplet UAG, yang dalam kode kanonik berfungsi sebagai terminator terjemahan. Diasumsikan bahwa dalam kasus ini, mirip dengan kasus pengkodean selenocysteine, pembacaan UAG sebagai kodon pirolisin terjadi karena struktur khusus pada mRNA. Pyrrolysine tRNA mengandung antikodon CTA dan diaminoasilasi oleh ARSase kelas 2 (untuk klasifikasi ARSase, lihat artikel “Kodase membantu memahami bagaimana kode genetik ").

UAG jarang digunakan sebagai kodon stop, dan bila digunakan sering kali diikuti oleh kodon stop lainnya.

Beras. 4. Struktur asam amino pirolisin ke-22.

7. Keserbagunaan. Setelah penguraian KUH Perdata selesai pada pertengahan tahun 60an abad yang lalu, sejak lama diyakini bahwa kode tersebut sama di semua organisme, yang menunjukkan kesatuan asal usul semua kehidupan di Bumi.

Mari kita coba memahami mengapa KUH Perdata bersifat universal. Faktanya adalah jika setidaknya satu aturan pengkodean diubah dalam tubuh, hal ini akan menyebabkan perubahan pada struktur sebagian besar protein. Perubahan seperti itu akan terlalu drastis dan oleh karena itu hampir selalu mematikan, karena perubahan arti satu kodon saja dapat mempengaruhi rata-rata 1/64 seluruh rangkaian asam amino.

Hal ini mengarah pada satu gagasan yang sangat penting - GC hampir tidak berubah sejak pembentukannya lebih dari 3,5 miliar tahun yang lalu. Ini berarti bahwa strukturnya mempunyai jejak asal-usulnya, dan analisis struktur ini dapat membantu untuk memahami dengan tepat bagaimana GC bisa muncul.

Faktanya, HA mungkin agak berbeda pada bakteri, mitokondria, kode inti beberapa ciliate dan ragi. Saat ini, setidaknya ada 17 kode genetik yang berbeda dari kode kanonik sebanyak 1-5 kodon. Secara total, dalam semua varian penyimpangan yang diketahui dari GK universal, digunakan 18 substitusi makna kodon yang berbeda. Penyimpangan paling banyak dari kode standar diketahui untuk mitokondria - 10. Patut dicatat bahwa mitokondria vertebrata, cacing pipih, dan echinodermata dikodekan dengan kode yang berbeda, sedangkan jamur kapang, protozoa, dan coelenterates dikodekan dengan satu kode.

Kedekatan evolusi spesies sama sekali tidak menjamin bahwa mereka memiliki GC yang serupa. Kode genetik dapat bervariasi bahkan di antara spesies mikoplasma yang berbeda (beberapa spesies memiliki kode kanonik, sementara yang lain memiliki kode kanonik yang berbeda). Situasi serupa juga terjadi pada ragi.

Penting untuk dicatat bahwa mitokondria adalah keturunan organisme simbiosis yang telah beradaptasi untuk hidup di dalam sel. Mereka memiliki genom yang sangat berkurang; beberapa gen telah berpindah ke inti sel. Oleh karena itu, perubahan HA di dalamnya tidak lagi begitu dramatis.

Pengecualian yang ditemukan kemudian menjadi perhatian khusus dari sudut pandang evolusi, karena dapat membantu menjelaskan mekanisme evolusi kode.

Tabel 1.

Kode mitokondria di berbagai organisme.

kodon	Kode universal	Kode mitokondria
		Vertebrata	Invertebrata	Ragi	Tanaman
U.G.A.	BERHENTI	Trp	Trp	Trp	BERHENTI
AUA	Ile	Bertemu	Bertemu	Bertemu	Ile
CUA	Leu	Leu	Leu	Melalui	Leu
AGA	Arg	BERHENTI	Ser	Arg	Arg
AGG	Arg	BERHENTI	Ser	Arg	Arg

Tiga mekanisme perubahan asam amino yang dikodekan oleh kode.

Yang pertama adalah ketika kodon tertentu tidak digunakan (atau hampir tidak digunakan) oleh organisme tertentu karena kemunculan beberapa nukleotida (komposisi GC), atau kombinasi nukleotida yang tidak merata. Akibatnya, kodon tersebut mungkin hilang sama sekali dari penggunaan (misalnya, karena hilangnya tRNA yang sesuai), dan nantinya dapat digunakan untuk mengkode asam amino lain tanpa menyebabkan kerusakan signifikan pada tubuh. Mekanisme ini mungkin bertanggung jawab atas munculnya beberapa dialek kode di mitokondria.

Yang kedua adalah transformasi kodon stop menjadi arti sel telur. Dalam hal ini, beberapa protein yang diterjemahkan mungkin memiliki tambahan. Namun, situasi ini sebagian terselamatkan oleh fakta bahwa banyak gen sering kali diakhiri dengan bukan hanya satu, tetapi dua kodon stop, karena kesalahan penerjemahan mungkin terjadi, di mana kodon stop dibaca sebagai asam amino.

Yang ketiga adalah kemungkinan pembacaan kodon tertentu yang ambigu, seperti yang terjadi pada beberapa jamur.

8 . Konektivitas. Kelompok kodon yang ekuivalen (yaitu kodon yang mengkode asam amino yang sama) disebut secara seri. GC berisi 21 seri, termasuk kodon stop. Berikut ini, untuk kepastiannya, kelompok kodon mana pun akan dipanggil hubungan, jika dari setiap kodon golongan ini Anda dapat berpindah ke semua kodon lain dari golongan yang sama dengan substitusi nukleotida yang berurutan. Dari 21 seri, 18 seri terhubung. 2 seri masing-masing berisi satu kodon, dan hanya 1 seri untuk serin asam amino yang tidak terhubung dan terpecah menjadi dua subseri terhubung.

Beras. 5. Grafik konektivitas untuk beberapa rangkaian kode. a - rangkaian valin yang terhubung; b - rangkaian leusin yang terhubung; Deret serin tidak koheren dan terbagi menjadi dua subseri yang terhubung. Gambar tersebut diambil dari artikel oleh V.A. Tikus" Kode genetik seperti sebuah sistem."

Sifat konektivitas dapat dijelaskan oleh fakta bahwa selama periode pembentukan, GC menangkap kodon baru yang sedikit berbeda dari kodon yang sudah digunakan.

9. Keteraturan sifat asam amino berdasarkan akar kembar tiga. Semua asam amino yang dikodekan oleh triplet akar U bersifat non-polar, tidak memiliki sifat dan ukuran ekstrem, serta memiliki radikal alifatik. Semua kembar tiga dengan akar C memiliki basa kuat, dan asam amino yang dikodekannya berukuran relatif kecil. Semua kembar tiga dengan akar A memiliki basa lemah dan mengkodekan asam amino polar dengan ukuran yang tidak kecil. Kodon dengan akar G dicirikan oleh varian asam amino dan deret yang ekstrim dan anomali. Mereka mengkodekan asam amino terkecil (glisin), yang terpanjang dan paling rata (triptofan), yang terpanjang dan paling kasar (arginin), yang paling reaktif (sistein), dan membentuk subseri anomali untuk serin.

10. Kemacetan. KUH Perdata Universal adalah kode “blok”. Ini berarti bahwa asam amino dengan sifat fisikokimia serupa dikodekan oleh kodon yang berbeda satu sama lain dalam satu basa. Sifat blok kode terlihat jelas pada gambar berikut.

Beras. 6. Struktur blok KUHPerdata. Asam amino dengan gugus alkil ditandai dengan warna putih.

Beras. 7. Representasi warna sifat fisikokimia asam amino, berdasarkan nilai yang dijelaskan dalam bukuStyers "Biokimia". Di sebelah kiri adalah hidrofobisitas. Di sebelah kanan adalah kemampuan untuk membentuk heliks alfa dalam suatu protein. Warna merah, kuning dan biru menunjukkan asam amino dengan hidrofobisitas tinggi, sedang dan rendah (kiri) atau tingkat kemampuan yang sesuai untuk membentuk alfa heliks (kanan).

Sifat blockiness dan keteraturan juga dapat dijelaskan oleh fakta bahwa selama periode pembentukan GC menangkap kodon baru, yang sedikit berbeda dari kodon yang sudah digunakan.

Kodon dengan basa pertama yang sama (awalan kodon) mengkodekan asam amino dengan jalur biosintesis serupa. Kodon asam amino yang termasuk dalam keluarga shikimate, piruvat, aspartat, dan glutamat masing-masing memiliki awalan U, G, A, dan C. Tentang jalur biosintesis asam amino kuno dan hubungannya dengan sifat-sifat kode modern, lihat "Doublet kuno kode genetik ditentukan sebelumnya oleh jalur sintesis asam amino.” Berdasarkan data tersebut, beberapa peneliti menyimpulkan bahwa pembentukan kode sangat dipengaruhi oleh hubungan biosintetik antar asam amino. Namun kesamaan jalur biosintetik sama sekali tidak berarti kesamaan dari sifat fisikokimia.

11. Kekebalan kebisingan. Dalam bentuk yang paling umum, kekebalan kebisingan HA berarti bahwa dengan mutasi titik acak dan kesalahan translasi, sifat fisikokimia asam amino tidak banyak berubah.

Penggantian satu nukleotida menjadi triplet dalam banyak kasus tidak menyebabkan perubahan asam amino yang dikodekan, atau menyebabkan perubahan menjadi asam amino dengan polaritas yang sama.

Salah satu mekanisme yang menjamin kekebalan kebisingan dari GC adalah degenerasinya. Degenerasi rata-rata sama dengan jumlah sinyal yang dikodekan/jumlah total kodon, dimana sinyal yang dikodekan meliputi 20 asam amino dan tanda terminasi translasi. Degenerasi rata-rata untuk semua asam amino dan tanda terminasi adalah tiga kodon per sinyal yang dikodekan.

Untuk mengukur kekebalan kebisingan, kami memperkenalkan dua konsep. Mutasi substitusi nukleotida yang tidak menyebabkan perubahan kelas asam amino yang dikodekan disebut konservatif. Mutasi substitusi nukleotida yang menyebabkan perubahan kelas asam amino yang dikodekan disebut radikal .

Setiap triplet memungkinkan 9 pergantian pemain tunggal. Ada total 61 kembar tiga yang mengkode asam amino. Oleh karena itu, jumlah kemungkinan substitusi nukleotida untuk semua kodon adalah

61 x 9 = 549. Dari jumlah tersebut:

23 substitusi nukleotida menghasilkan kodon stop.

134 substitusi tidak mengubah asam amino yang dikodekan.
Substitusi 230 tidak mengubah kelas asam amino yang dikodekan.
Substitusi 162 menyebabkan perubahan kelas asam amino, yaitu. bersifat radikal.
Dari 183 substitusi nukleotida ke-3, 7 menyebabkan munculnya terminator translasi, dan 176 bersifat konservatif.
Dari 183 substitusi nukleotida pertama, 9 menyebabkan munculnya terminator, 114 bersifat konservatif dan 60 bersifat radikal.
Dari 183 substitusi nukleotida ke-2, 7 menyebabkan munculnya terminator, 74 bersifat konservatif, 102 bersifat radikal.

Berdasarkan perhitungan ini, kami memperoleh penilaian kuantitatif kekebalan kebisingan kode sebagai rasio jumlah penggantian konservatif dengan jumlah penggantian radikal. Itu sama dengan 364/162=2,25

Ketika menilai secara realistis kontribusi degenerasi terhadap kekebalan kebisingan, frekuensi kemunculan asam amino dalam protein harus diperhitungkan, yang bervariasi pada spesies yang berbeda.

Apa alasan kekebalan kebisingan pada kode? Kebanyakan peneliti percaya bahwa sifat ini merupakan konsekuensi dari pemilihan GC alternatif.

Stephen Freeland dan Lawrence Hurst menghasilkan kode-kode tersebut secara acak dan menemukan bahwa hanya satu dari seratus kode alternatif yang tahan kebisingan dibandingkan kode universal.
Fakta yang lebih menarik muncul ketika para peneliti ini memperkenalkan batasan tambahan untuk memperhitungkan tren aktual dalam pola mutasi DNA dan kesalahan penerjemahan. Dalam kondisi seperti itu, HANYA SATU KODE DARI JUTA KEMUNGKINAN yang ternyata lebih baik daripada kode kanonik.
Vitalitas kode genetik yang belum pernah terjadi sebelumnya ini dapat dengan mudah dijelaskan oleh fakta bahwa kode tersebut terbentuk sebagai hasil seleksi alam. Mungkin pernah ada banyak kode di dunia biologis, yang masing-masing memiliki kepekaan terhadap kesalahan. Organisme yang dapat mengatasi mereka dengan lebih baik memiliki peluang lebih besar untuk bertahan hidup, dan kode kanonik memenangkan perjuangan untuk eksistensi. Asumsi ini nampaknya cukup realistis - lagipula, kita tahu bahwa kode alternatif memang ada. Untuk informasi lebih lanjut tentang kekebalan kebisingan, lihat Evolusi berkode (S. Freeland, L. Hirst “Evolusi berkode”. // Dalam dunia sains. - 2004, No. 7).

Sebagai kesimpulan, saya mengusulkan untuk menghitung jumlah kemungkinan kode genetik yang dapat dihasilkan untuk 20 asam amino kanonik. Untuk beberapa alasan saya tidak menemukan nomor ini di mana pun. Jadi, kita memerlukan GC yang dihasilkan harus mengandung 20 asam amino dan sinyal berhenti, yang dikodekan oleh MINIMAL SATU KODON.

Mari kita beri nomor secara mental pada kodon-kodon tersebut dalam urutan tertentu. Kami akan beralasan sebagai berikut. Jika kita mempunyai tepat 21 kodon, maka setiap asam amino dan sinyal berhenti akan menempati tepat satu kodon. Dalam hal ini, akan ada 21 kemungkinan GC!

Jika ada 22 kodon, maka akan muncul kodon tambahan, yang dapat memiliki salah satu dari 21 indra mana pun, dan kodon ini dapat ditempatkan di salah satu dari 22 tempat tersebut, sedangkan kodon lainnya memiliki satu indera yang berbeda, seperti dalam kasus 21 kodon. Maka kita mendapatkan banyaknya kombinasi 21!x(21x22).

Jika ada 23 kodon, maka dengan alasan yang sama, kita memperoleh bahwa 21 kodon masing-masing mempunyai satu arti yang berbeda (21! pilihan), dan dua kodon masing-masing mempunyai 21 arti yang berbeda (21 2 arti dengan posisi TETAP dari kodon-kodon ini). Banyaknya posisi berbeda untuk kedua kodon ini adalah 23x22. Jumlah total varian GC untuk 23 kodon adalah 21!x21 2 x23x22

Jika terdapat 24 kodon maka banyaknya GC adalah 21!x21 3 x24x23x22,...

....................................................................................................................

Jika terdapat 64 kodon, maka banyaknya GC yang mungkin adalah 21!x21 43 x64!/21! = 21 43x64! ~ 9.1x10 145