ผู้ค้นพบรหัสพันธุกรรม ความเสื่อมของรหัสพันธุกรรม: ข้อมูลทั่วไป

โดยปกติแล้วรหัสพันธุกรรมจะเข้าใจกันว่าเป็นระบบของสัญญาณที่บ่งชี้การจัดเรียงสารประกอบนิวคลีโอไทด์ตามลำดับใน DNA และ RNA ซึ่งสอดคล้องกับระบบสัญญาณอื่นที่แสดงลำดับของสารประกอบกรดอะมิโนในโมเลกุลโปรตีน

มันเป็นสิ่งสำคัญ!

เมื่อนักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาคุณสมบัติของรหัสพันธุกรรมได้ ความเป็นสากลก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลัก ใช่ มันอาจฟังดูแปลก แต่ทุกอย่างก็รวมเป็นหนึ่งเดียว ซึ่งเป็นรหัสพันธุกรรมทั่วไปที่เป็นสากล มันก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาที่ยาวนาน และกระบวนการนี้สิ้นสุดลงเมื่อประมาณ 3.5 พันล้านปีก่อน ด้วยเหตุนี้จึงสามารถติดตามร่องรอยของวิวัฒนาการได้ในโครงสร้างของรหัสตั้งแต่เริ่มแรกจนถึงปัจจุบัน

เมื่อเราพูดถึงลำดับการจัดเรียงองค์ประกอบในรหัสพันธุกรรม เราหมายถึงว่าลำดับนั้นไม่วุ่นวาย แต่มีลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด และนี่ก็เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของรหัสพันธุกรรมเป็นส่วนใหญ่ด้วย ซึ่งเทียบเท่ากับการจัดเรียงตัวอักษรและพยางค์เป็นคำ เมื่อเราฝ่าฝืนคำสั่งปกติ สิ่งที่เราอ่านบนหน้าหนังสือหรือหนังสือพิมพ์ส่วนใหญ่จะกลายเป็นคนขี้เหนียวไร้สาระ

คุณสมบัติพื้นฐานของรหัสพันธุกรรม

โดยปกติรหัสจะมีข้อมูลบางอย่างที่เข้ารหัสด้วยวิธีพิเศษ ในการถอดรหัสโค้ด คุณจำเป็นต้องทราบคุณลักษณะเฉพาะ

ดังนั้นคุณสมบัติหลักของรหัสพันธุกรรมคือ:

• สามเท่า;
• ความเสื่อมหรือความซ้ำซ้อน;
• ไม่คลุมเครือ;
• ความต่อเนื่อง;
• ความเก่งกาจที่กล่าวมาแล้วข้างต้น

มาดูทรัพย์สินแต่ละอย่างกันดีกว่า

1. ทริปเปิลตี้

นี่คือเมื่อสารประกอบนิวคลีโอไทด์สามชนิดก่อตัวเป็นสายโซ่ต่อเนื่องภายในโมเลกุล (เช่น DNA หรือ RNA) เป็นผลให้สารประกอบแฝดถูกสร้างขึ้นหรือเข้ารหัสกรดอะมิโนตัวใดตัวหนึ่งซึ่งอยู่ในสายโซ่เปปไทด์

โคดอน (เป็นคำรหัสด้วย!) มีความโดดเด่นโดยลำดับการเชื่อมต่อและตามประเภทของสารประกอบไนโตรเจน (นิวคลีโอไทด์) ที่เป็นส่วนหนึ่งของพวกมัน

ในทางพันธุศาสตร์ เป็นเรื่องปกติที่จะแยกแยะรหัสโคดอนได้ 64 ชนิด พวกมันสามารถรวมตัวกันของนิวคลีโอไทด์ได้สี่ประเภท แต่ละชนิดมี 3 ชนิด ซึ่งเทียบเท่ากับการยกเลข 4 ยกกำลังสาม ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเกิดการรวมกันของ 64 นิวคลีโอไทด์

2. ความซ้ำซ้อนของรหัสพันธุกรรม

คุณสมบัตินี้จะสังเกตได้เมื่อต้องใช้โคดอนหลายตัวในการเข้ารหัสกรดอะมิโนหนึ่งตัว โดยปกติจะอยู่ในช่วง 2-6 และมีเพียงทริปโตเฟนเท่านั้นที่สามารถเข้ารหัสได้โดยใช้แฝดตัวเดียว

3. ไม่มีความกำกวม

รวมอยู่ในคุณสมบัติของรหัสพันธุกรรมเพื่อเป็นตัวบ่งชี้ถึงมรดกทางพันธุกรรมที่ดีต่อสุขภาพ ตัวอย่างเช่น GAA แฝดซึ่งอยู่ในอันดับที่หกในกลุ่มสามารถบอกแพทย์เกี่ยวกับสถานะที่ดีของเลือดเกี่ยวกับฮีโมโกลบินปกติได้ เขาเป็นผู้ดำเนินการข้อมูลเกี่ยวกับเฮโมโกลบินและยังถูกเข้ารหัสด้วย และหากบุคคลมีภาวะโลหิตจางนิวคลีโอไทด์ตัวใดตัวหนึ่งจะถูกแทนที่ด้วยตัวอักษรอีกตัวของรหัส - U ซึ่งเป็นสัญญาณของโรค

4. ความต่อเนื่อง

เมื่อบันทึกคุณสมบัติของรหัสพันธุกรรมนี้ ควรจำไว้ว่าโคดอนเช่นลิงก์ในสายโซ่นั้นไม่ได้อยู่ที่ระยะไกล แต่อยู่ใกล้กันโดยตรงทีละตัวในสายโซ่กรดนิวคลีอิกและสายโซ่นี้ไม่ถูกขัดจังหวะ - มันไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุด

5. ความเก่งกาจ

เราไม่ควรลืมว่าทุกสิ่งบนโลกนั้นรวมกันเป็นหนึ่งเดียวด้วยรหัสพันธุกรรมทั่วไป ดังนั้น ในไพรเมตและมนุษย์ ในแมลงและนก ในต้นเบาบับอายุร้อยปี และในใบหญ้าที่แทบจะโผล่ขึ้นมาจากพื้นดิน แฝดสามที่คล้ายกันก็เข้ารหัสกรดอะมิโนที่คล้ายกัน

ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิตชนิดใดชนิดหนึ่งอยู่ในยีน ซึ่งเป็นโปรแกรมประเภทหนึ่งที่สิ่งมีชีวิตนั้นสืบทอดมาจากสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ก่อนหน้านี้และมีอยู่ในรูปแบบรหัสพันธุกรรม

รหัสพันธุกรรม(กรีก genetikos เกี่ยวกับต้นกำเนิด; syn.: รหัส, รหัสทางชีวภาพ, รหัสกรดอะมิโน, รหัสโปรตีน, รหัสกรดนิวคลีอิก) - ระบบสำหรับบันทึกข้อมูลทางพันธุกรรมในโมเลกุลของกรดนิวคลีอิกของสัตว์ พืช แบคทีเรีย และไวรัส โดยสลับลำดับของนิวคลีโอไทด์

ข้อมูลทางพันธุกรรม (รูป) จากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์ จากรุ่นสู่รุ่น ยกเว้นไวรัส RNA ถูกส่งโดยการจำลองโมเลกุล DNA ซ้ำ (ดูการจำลอง) การใช้ข้อมูลทางพันธุกรรมของ DNA ในช่วงชีวิตของเซลล์นั้นดำเนินการผ่าน RNA 3 ประเภท: ข้อมูล (mRNA หรือ mRNA), ไรโบโซม (rRNA) และการขนส่ง (tRNA) ซึ่งสังเคราะห์โดยใช้เอนไซม์ RNA polymerase บน DNA เป็น เมทริกซ์ ในกรณีนี้ ลำดับของนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุล DNA จะเป็นตัวกำหนดลำดับของนิวคลีโอไทด์ใน RNA ทั้งสามประเภทโดยเฉพาะ (ดูการถอดความ) ข้อมูลของยีน (ดู) ซึ่งเข้ารหัสโมเลกุลโปรตีนนั้นดำเนินการโดย mRNA เท่านั้น ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการนำข้อมูลทางพันธุกรรมไปใช้คือการสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีนซึ่งความจำเพาะจะถูกกำหนดโดยลำดับของกรดอะมิโนที่รวมอยู่ในนั้น (ดูคำแปล)

เนื่องจาก DNA หรือ RNA มีฐานไนโตรเจนที่แตกต่างกันเพียง 4 ฐาน [ใน DNA - อะดีนีน (A), ไทมีน (T), กัวนีน (G), ไซโตซีน (C); ใน RNA - adenine (A), uracil (U), cytosine (C), guanine (G)] ลำดับที่กำหนดลำดับของกรดอะมิโน 20 ตัวในโปรตีนปัญหาของ GK เกิดขึ้นเช่น ปัญหาในการแปล ตัวอักษรกรดนิวคลีอิก 4 ตัวอักษรเป็นตัวอักษรโพลีเปปไทด์ 20 ตัวอักษร

เป็นครั้งแรกที่แนวคิดของการสังเคราะห์เมทริกซ์ของโมเลกุลโปรตีนด้วยการทำนายคุณสมบัติของเมทริกซ์สมมุติที่ถูกต้องถูกกำหนดโดย N.K. Koltsov ในปี 1928 ในปี 1944 O. Avery และคณะ ยอมรับว่าโมเลกุล DNA มีความรับผิดชอบ การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมระหว่างการเปลี่ยนแปลงในโรคปอดบวม ในปี 1948 E. Chargaff แสดงให้เห็นว่าในโมเลกุล DNA ทั้งหมดมีความเท่าเทียมกันเชิงปริมาณของนิวคลีโอไทด์ที่เกี่ยวข้อง (A-T, G-C) ในปี 1953 F. Crick, J. Watson และ M. H. F. Wilkins ตามกฎนี้และข้อมูลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (ดู) ได้ข้อสรุปว่าโมเลกุล DNA เป็นเกลียวคู่ที่ประกอบด้วยเส้นใยโพลีนิวคลีโอไทด์สองเส้นที่เชื่อมต่อถึงกันด้วยไฮโดรเจน พันธบัตร ยิ่งไปกว่านั้น มีเพียง T เท่านั้นที่สามารถต้าน A ของสายโซ่หนึ่งในวินาทีได้ และมีเพียง C เท่านั้นที่สามารถต้าน G ได้ การเสริมกันนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าลำดับของนิวคลีโอไทด์ของสายโซ่หนึ่งเป็นตัวกำหนดลำดับของอีกสายหนึ่งโดยเฉพาะ ข้อสรุปสำคัญประการที่สองที่ตามมาจากแบบจำลองนี้คือโมเลกุล DNA สามารถสืบพันธุ์ได้เอง

ในปี พ.ศ. 2497 G. Gamow ได้กำหนดปัญหาสมการทางเรขาคณิตในรูปแบบสมัยใหม่ ในปี พ.ศ. 2500 เอฟ. คริกได้แสดงสมมุติฐานของอะแด็ปเตอร์ โดยเสนอว่ากรดอะมิโนมีปฏิกิริยากับกรดนิวคลีอิกไม่ได้โดยตรง แต่ผ่านทางตัวกลาง (ปัจจุบันเรียกว่า tRNA) ในช่วงหลายปีต่อจากนี้ การเชื่อมโยงพื้นฐานทั้งหมดในรูปแบบทั่วไปของการส่งข้อมูลทางพันธุกรรม ซึ่งในตอนแรกเป็นเพียงสมมุติฐาน ได้รับการยืนยันจากการทดลอง ในปี 1957 มีการค้นพบ mRNAs [A. S. Spirin, A. N. Belozersky และคณะ; Folkin และ Astrachan (E. Volkin, L. Astrachan)] และ tRNA [Hoagland (M.V. Hoagland)]; ในปี 1960 มีการสังเคราะห์ DNA นอกเซลล์โดยใช้โมเลกุลขนาดใหญ่ของ DNA ที่มีอยู่เป็นเมทริกซ์ (A. Kornberg) และค้นพบการสังเคราะห์ RNA ที่ขึ้นกับ DNA [S. B. Weiss et al.] ในปี 1961 ได้มีการสร้างระบบไร้เซลล์ขึ้น โดยสังเคราะห์สารคล้ายโปรตีนโดยมี RNA ตามธรรมชาติหรือพอลิไรโบนิวคลีโอไทด์สังเคราะห์ [M. Nirenberg และ Matthaei (เจ. เอช. Matthaei)] ปัญหาการรับรู้รหัสประกอบด้วยการศึกษาคุณสมบัติทั่วไปของรหัสและถอดรหัสจริง ๆ นั่นคือการค้นหาว่าการรวมกันของนิวคลีโอไทด์ (โคดอน) ใดที่เข้ารหัสกรดอะมิโนบางชนิด

คุณสมบัติทั่วไปของรหัสได้รับการชี้แจงอย่างเป็นอิสระจากการถอดรหัสและก่อนหน้านั้นโดยการวิเคราะห์รูปแบบโมเลกุลของการก่อตัวของการกลายพันธุ์ (F. Krick et al., 1961; N.V. Luchnik, 1963) พวกเขาต้มลงไปดังต่อไปนี้:

1. รหัสนี้เป็นสากล กล่าวคือ เหมือนกัน อย่างน้อยโดยพื้นฐานสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

2. รหัสคือแฝด นั่นคือ กรดอะมิโนแต่ละตัวถูกเข้ารหัสโดยนิวคลีโอไทด์แฝด

3. รหัสไม่ทับซ้อนกัน กล่าวคือ นิวคลีโอไทด์ที่กำหนดไม่สามารถเป็นส่วนหนึ่งของรหัสมากกว่าหนึ่งรหัสได้

4. รหัสเสื่อมลง กล่าวคือ กรดอะมิโนหนึ่งตัวสามารถเข้ารหัสได้ด้วยแฝดหลายตัว

5. ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนจะอ่านจาก mRNA ตามลำดับ โดยเริ่มจากจุดคงที่

6. แฝดสามที่เป็นไปได้ส่วนใหญ่มี "ความรู้สึก" กล่าวคือ พวกมันมีรหัสสำหรับกรดอะมิโน

7. จาก “ตัวอักษร” ทั้งสามตัวของรหัส มีเพียงสองตัว (บังคับ) เท่านั้นที่มีความหมายเด่น ในขณะที่ตัวที่สาม (เป็นทางเลือก) มีข้อมูลน้อยกว่ามาก

การถอดรหัสโดยตรงของรหัสจะประกอบด้วยการเปรียบเทียบลำดับนิวคลีโอไทด์ในยีนโครงสร้าง (หรือ mRNA สังเคราะห์บนยีนนั้น) กับลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนที่เกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม เส้นทางดังกล่าวยังไม่สามารถทำได้ในทางเทคนิค มีการใช้วิธีอื่นอีกสองวิธี: การสังเคราะห์โปรตีนในระบบไร้เซลล์โดยใช้โพลีไรโบนิวคลีโอไทด์ประดิษฐ์ขององค์ประกอบที่รู้จักกันในชื่อเมทริกซ์และการวิเคราะห์รูปแบบโมเลกุลของการก่อตัวของการกลายพันธุ์ (ดู) ครั้งแรกให้ผลลัพธ์เชิงบวกก่อนหน้านี้และในอดีตมีบทบาทสำคัญในการถอดรหัส G.k.

ในปี 1961 M. Nirenberg และ Mattei ใช้โฮโม-โพลีเมอร์เป็นเมทริกซ์ - กรดโพลียูริดิลสังเคราะห์ (เช่น RNA เทียมขององค์ประกอบ UUUU...) และได้รับโพลีฟีนิลอะลานีน หลังจากนั้นโคดอนฟีนิลอะลานีนประกอบด้วย U หลายตัว กล่าวคือ ในกรณีของรหัสแฝด จะถูกถอดรหัสเป็น UUU ต่อมามีการใช้โพลีไรโบนิวคลีโอไทด์ซึ่งประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ที่แตกต่างกันพร้อมกับโฮโมโพลีเมอร์ ในเวลาเดียวกันทราบเพียงองค์ประกอบของโพลีเมอร์เท่านั้นตำแหน่งของนิวคลีโอไทด์ในนั้นเป็นทางสถิติดังนั้นการวิเคราะห์ผลลัพธ์จึงเป็นทางสถิติและให้ข้อสรุปทางอ้อม ค่อนข้างเร็วที่สามารถหาแฝดได้อย่างน้อยหนึ่งตัวสำหรับกรดอะมิโนทั้ง 20 ตัว ปรากฎว่าการมีอยู่ของตัวทำละลายอินทรีย์ การเปลี่ยนแปลงของ pH หรืออุณหภูมิ แคตไอออนบางตัวและโดยเฉพาะอย่างยิ่งยาปฏิชีวนะทำให้รหัสไม่ชัดเจน: โคดอนเดียวกันเริ่มกระตุ้นการรวมของกรดอะมิโนอื่น ๆ ในบางกรณี โคดอนตัวหนึ่งเริ่มเข้ารหัสมากถึงสี่ตัว กรดอะมิโนที่แตกต่างกัน สเตรปโตมัยซินส่งผลต่อการอ่านข้อมูลทั้งในระบบไร้เซลล์และในร่างกาย และมีผลกับแบคทีเรียสายพันธุ์ที่ไวต่อสเตรปโตมัยซินเท่านั้น ในสายพันธุ์ที่ขึ้นกับสเตรปโตมัยซิน จะ "แก้ไข" การอ่านค่าจากโคดอนที่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากการกลายพันธุ์ ผลลัพธ์ที่คล้ายกันให้เหตุผลที่สงสัยความถูกต้องของการถอดรหัสของ G. โดยใช้ระบบไร้เซลล์ จำเป็นต้องมีการยืนยัน โดยอาศัยข้อมูลในร่างกายเป็นหลัก

ข้อมูลหลักเกี่ยวกับ G. ถึง. ในร่างกาย ได้มาจากการวิเคราะห์องค์ประกอบของกรดอะมิโนของโปรตีนในสิ่งมีชีวิตที่รักษาด้วยสารก่อกลายพันธุ์ (ดู) ด้วยกลไกการออกฤทธิ์ที่ทราบเช่นไนโตรเจนซึ่งทำให้เกิดการแทนที่ C ในโมเลกุล DNA ด้วย U และ A พร้อม D ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ยังมาจากการวิเคราะห์การกลายพันธุ์ที่เกิดจากสารก่อกลายพันธุ์ที่ไม่เฉพาะเจาะจง การเปรียบเทียบความแตกต่างในโครงสร้างหลักของโปรตีนที่เกี่ยวข้องในสายพันธุ์ต่าง ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบของ DNA และโปรตีน ฯลฯ

การถอดรหัส G. ถึง ตามข้อมูล ในวิฟ และ ในหลอดทดลอง ให้ผลลัพธ์ที่ตรงกัน ต่อมามีการพัฒนาวิธีการถอดรหัสรหัสในระบบไร้เซลล์อีกสามวิธี: การจับของ aminoacyl-tRNA (เช่น tRNA กับกรดอะมิโนที่เปิดใช้งาน) กับไตรนิวคลีโอไทด์ขององค์ประกอบที่รู้จัก (M. Nirenberg et al., 1965) การจับ ของอะมิโนอะซิล-tRNA ด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์ที่เริ่มต้นด้วยแฝดบางตัว (Mattei et al., 1966) และการใช้โพลีเมอร์เป็น mRNA ซึ่งไม่เพียงแต่องค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังทราบลำดับของนิวคลีโอไทด์ด้วย (X. Korana et al. , 1965) ทั้งสามวิธีเสริมซึ่งกันและกัน และผลลัพธ์เป็นไปตามข้อมูลที่ได้รับจากการทดลองในสัตว์ทดลอง

ในยุค 70 ศตวรรษที่ 20 วิธีการปรากฏขึ้นเพื่อการตรวจสอบผลลัพธ์ของการถอดรหัส G.k ที่เชื่อถือได้เป็นพิเศษ เป็นที่ทราบกันดีว่าการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของโปรฟลาวินประกอบด้วยการสูญเสียหรือการแทรกนิวคลีโอไทด์แต่ละตัวซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในกรอบการอ่าน ใน phage T4 การกลายพันธุ์จำนวนหนึ่งเกิดจากโปรฟลาวิน ซึ่งองค์ประกอบของไลโซไซม์เปลี่ยนไป องค์ประกอบนี้ได้รับการวิเคราะห์และเปรียบเทียบกับโคดอนที่ควรเป็นผลมาจากเฟรมชิฟต์ ผลลัพธ์ที่ได้คือการปฏิบัติตามข้อกำหนดโดยสมบูรณ์ นอกจากนี้ วิธีนี้ยังทำให้สามารถระบุได้ว่าแฝดสามของรหัสเสื่อมตัวใดที่เข้ารหัสกรดอะมิโนแต่ละตัว ในปี 1970 เจ. เอ็ม. อดัมส์และเพื่อนร่วมงานของเขาประสบความสำเร็จในการถอดรหัส G. c. บางส่วนโดยวิธีการโดยตรง: ในฟาจ R17 ลำดับของเบสในส่วนยาวของนิวคลีโอไทด์ 57 ถูกกำหนด และเปรียบเทียบกับลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนเคลือบของมัน . ผลลัพธ์มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์กับผลลัพธ์ที่ได้ด้วยวิธีที่ตรงน้อยกว่า ดังนั้นรหัสจึงถูกถอดรหัสอย่างสมบูรณ์และถูกต้อง

ผลการถอดรหัสสรุปเป็นตาราง แสดงถึงองค์ประกอบของโคดอนและ RNA องค์ประกอบของ tRNA anticodons เป็นส่วนเสริมของ codon mRNA เช่น แทนที่จะเป็น Y พวกมันจะมี A แทนที่จะเป็น A - U แทนที่จะเป็น C - G และแทนที่จะเป็น G - C และสอดคล้องกับโคดอนของยีนโครงสร้าง (สาย DNA จากข้อมูลที่อ่าน) โดยมีความแตกต่างเพียงอย่างเดียวที่ uracil เข้ามาแทนที่ไทมีน จากแฝด 64 ตัวที่สามารถเกิดขึ้นได้จากการรวมกันของ 4 นิวคลีโอไทด์นั้น 61 ตัวมี "ความรู้สึก" นั่นคือพวกมันเข้ารหัสกรดอะมิโนและ 3 ตัวนั้นเป็น "ไร้สาระ" (ไร้ความหมาย) มีความสัมพันธ์ที่ค่อนข้างชัดเจนระหว่างองค์ประกอบของแฝดสามและความหมายซึ่งถูกค้นพบเมื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทั่วไปของโค้ด ในบางกรณี แฝดสามที่เข้ารหัสกรดอะมิโนเฉพาะ (เช่น โพรลีน อะลานีน) มีลักษณะเฉพาะคือนิวคลีโอไทด์สองตัวแรก (บังคับ) เหมือนกัน และตัวที่สาม (เป็นทางเลือก) สามารถเป็นอะไรก็ได้ ในกรณีอื่น ๆ (เมื่อเข้ารหัสเช่นแอสพาราจีนกลูตามีน) แฝดสามที่คล้ายกันมีความหมายเหมือนกันซึ่งนิวคลีโอไทด์สองตัวแรกเกิดขึ้นพร้อมกันและในสถานที่ที่สามจะมีพิวรีนหรือไพริมิดีนใด ๆ

รหัสไร้สาระซึ่งมี 2 ชื่อพิเศษที่สอดคล้องกับการกำหนดการกลายพันธุ์ของฟาจ (UAA-ochre, UAG-amber, UGA-opal) แม้ว่าพวกมันจะไม่เข้ารหัสกรดอะมิโนใด ๆ แต่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่ออ่านข้อมูลเข้ารหัสส่วนท้าย ของสายโพลีเปปไทด์

การอ่านข้อมูลเกิดขึ้นในทิศทางตั้งแต่ 5 1 -> 3 1 - จนถึงจุดสิ้นสุดของสายโซ่นิวคลีโอไทด์ (ดูกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) ในกรณีนี้ การสังเคราะห์โปรตีนเริ่มจากกรดอะมิโนที่มีหมู่อะมิโนอิสระ ไปเป็นกรดอะมิโนที่มีหมู่คาร์บอกซิลอิสระ จุดเริ่มต้นของการสังเคราะห์ถูกเข้ารหัสโดยแฝดสาม AUG และ GUG ซึ่งในกรณีนี้รวมถึงอะมิโนเอซิล-tRNA เริ่มต้นที่เฉพาะเจาะจง นั่นคือ N-formylmethionyl-tRNA แฝดสามกลุ่มเดียวกันนี้ เมื่อแปลเป็นภาษาท้องถิ่นภายในสายโซ่ จะเข้ารหัสเมไทโอนีนและวาลีนตามลำดับ ความคลุมเครือจะถูกลบออกโดยข้อเท็จจริงที่ว่าการเริ่มอ่านนำหน้าด้วยความไร้สาระ มีหลักฐานว่าขอบเขตระหว่างบริเวณต่างๆ ของ mRNA ที่เข้ารหัสโปรตีนต่างๆ ประกอบด้วยแฝดมากกว่า 2 ตัว และโครงสร้างรองของ RNA เปลี่ยนไปในตำแหน่งเหล่านี้ ปัญหานี้อยู่ระหว่างการวิจัย หากโคดอนไร้สาระเกิดขึ้นภายในยีนที่มีโครงสร้าง โปรตีนที่เกี่ยวข้องจะถูกสร้างขึ้นจนถึงตำแหน่งของโคดอนนี้เท่านั้น

การค้นพบและการถอดรหัสรหัสพันธุกรรมซึ่งเป็นความสำเร็จที่โดดเด่นของอณูชีววิทยา มีอิทธิพลต่อวิทยาศาสตร์ชีวภาพทั้งหมด ในบางกรณีถือเป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาส่วนขนาดใหญ่พิเศษ (ดูอณูพันธุศาสตร์) ผลของการค้นพบและการวิจัยที่เกี่ยวข้องของ G. เปรียบเทียบกับผลกระทบที่ทฤษฎีของดาร์วินมีต่อวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

ความเป็นสากลของพันธุกรรมเป็นหลักฐานโดยตรงของความเป็นสากลของกลไกระดับโมเลกุลพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตในตัวแทนทุกคนของโลกอินทรีย์ ในขณะเดียวกันความแตกต่างอย่างมากในการทำงานของอุปกรณ์ทางพันธุกรรมและโครงสร้างของมันระหว่างการเปลี่ยนจากโปรคาริโอตไปเป็นยูคาริโอตและจากสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวไปเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์อาจเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระดับโมเลกุลซึ่งการศึกษาซึ่งเป็นหนึ่งในภารกิจแห่งอนาคต เนื่องจากการวิจัยของ G. เป็นเพียงเรื่องของไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความสำคัญของผลลัพธ์ที่ได้รับสำหรับเวชปฏิบัติจึงเป็นเพียงทางอ้อมเท่านั้น ทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของโรคและกลไกการออกฤทธิ์ของเชื้อโรคและสารยา อย่างไรก็ตามการค้นพบปรากฏการณ์เช่นการเปลี่ยนแปลง (ดู) การถ่ายโอน (ดู) การปราบปราม (ดู) บ่งบอกถึงความเป็นไปได้พื้นฐานของการแก้ไขข้อมูลทางพันธุกรรมที่เปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาหรือการแก้ไข - สิ่งที่เรียกว่า พันธุวิศวกรรม (ดู)

โต๊ะ. รหัสพันธุกรรม

นิวคลีโอไทด์แรกของโคดอน	นิวคลีโอไทด์ที่สองของโคดอน								ประการที่สาม โคดอนนิวคลีโอไทด์
		ฟีนิลอะลานีน
						เจ ไร้สาระ
								ทริปโตเฟน
						ฮิสติดีน
						กรดกลูตามิก
		ไอโซลิวซีน				แอสพาร์ติก
		เมไทโอนีน
						แอสพาราจีน
						กลูตามีน

* เข้ารหัสส่วนท้ายของห่วงโซ่

** เข้ารหัสจุดเริ่มต้นของเชนด้วย

บรรณานุกรม: Ichas M. รหัสทางชีวภาพ, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ ม. 2514; อาร์เชอร์ เอ็น.บี. ชีวฟิสิกส์ของรอยโรคทางไซโตจีเนติกส์และรหัสพันธุกรรม, L. , 1968; อณูพันธุศาสตร์ ทรานส์ จากภาษาอังกฤษ, เอ็ด. A. N. Belozersky ตอนที่ 1, M. , 1964; กรดนิวคลีอิก ทรานส์ จากภาษาอังกฤษ, เอ็ด. A. N. Belozersky, M. , 1965; วัตสัน เจ.ดี. อณูชีววิทยาของยีน, ทรานส์. จากภาษาอังกฤษ ม. 2510; พันธุศาสตร์สรีรวิทยา, เอ็ด. M. E. Lobasheva S. G. , Inge-Vechtomo-va, L. , 1976, บรรณานุกรม; Desoxyribonuc-leins&ure, Schlttssel des Lebens, hrsg. v„ อี. ไกสเลอร์, บี., 1972; รหัสพันธุกรรม โกลด์สปริง ฮาร์บ อาการ ปริมาณ ไบโอล., ก. 31 พ.ย. 2509; W o e s e C. R. รหัสพันธุกรรม N. Y. a. อ., 1967.

รหัสพันธุกรรม ระบบสำหรับบันทึกข้อมูลทางพันธุกรรมในรูปแบบของลำดับเบสนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุล DNA (ในไวรัสบางชนิด - RNA) ซึ่งกำหนดโครงสร้างหลัก (ตำแหน่งของกรดอะมิโนที่ตกค้าง) ในโมเลกุลโปรตีน (โพลีเปปไทด์) ปัญหาของรหัสพันธุกรรมถูกกำหนดขึ้นหลังจากการพิสูจน์บทบาททางพันธุกรรมของ DNA (นักจุลชีววิทยาชาวอเมริกัน O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) และถอดรหัสโครงสร้างของมัน (J. Watson, F. Crick, 1953) หลังจากสร้าง ยีนนั้นกำหนดโครงสร้างและหน้าที่ของเอนไซม์ (หลักการของ "หนึ่งยีน - หนึ่งเอนไซม์" โดย J. Beadle และ E. Tatem, 1941) และมีการพึ่งพาโครงสร้างเชิงพื้นที่และกิจกรรมของโปรตีนในโครงสร้างหลัก (เอฟ. แซงเจอร์, 1955) คำถามที่ว่าการรวมกันของกรดนิวคลีอิก 4 ตัวกำหนดการสลับกันของกรดอะมิโนทั่วไป 20 ชนิดที่ตกค้างในโพลีเปปไทด์ได้อย่างไร G. Gamow เขียนครั้งแรกในปี 1954

จากการทดลองที่พวกเขาศึกษาปฏิสัมพันธ์ของการแทรกและการลบนิวคลีโอไทด์คู่หนึ่งในยีนของแบคทีเรีย T4 F. Crick และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในปี 1961 ได้กำหนดคุณสมบัติทั่วไปของรหัสพันธุกรรม: ความเป็นสามเท่า กล่าวคือ กรดอะมิโนแต่ละตัวที่ตกค้างในสายโซ่โพลีเปปไทด์สอดคล้องกับชุดของเบสสามตัว (triplet หรือ codon) ใน DNA ของยีน โคดอนภายในยีนจะถูกอ่านจากจุดคงที่ในทิศทางเดียวและ "ไม่มีเครื่องหมายจุลภาค" นั่นคือโคดอนจะไม่ถูกแยกจากกันด้วยเครื่องหมายใด ๆ จากกันและกัน ความเสื่อมหรือความซ้ำซ้อน - กรดอะมิโนที่ตกค้างเดียวกันสามารถเข้ารหัสได้ด้วยโคดอนหลายตัว (โคดอนที่มีความหมายเหมือนกัน) ผู้เขียนสันนิษฐานว่าโคดอนไม่ทับซ้อนกัน (แต่ละฐานเป็นของโคดอนเพียงอันเดียว) การศึกษาโดยตรงเกี่ยวกับความสามารถในการเข้ารหัสของแฝดสามยังคงดำเนินต่อไปโดยใช้ระบบการสังเคราะห์โปรตีนไร้เซลล์ภายใต้การควบคุมของสารสังเคราะห์ RNA (mRNA) ในปี 1965 รหัสพันธุกรรมได้รับการถอดรหัสอย่างสมบูรณ์ในงานของ S. Ochoa, M. Nirenberg และ H. G. Korana การเปิดเผยความลับของรหัสพันธุกรรมถือเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่โดดเด่นของชีววิทยาในศตวรรษที่ 20

การใช้รหัสพันธุกรรมในเซลล์เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเมทริกซ์สองกระบวนการ - การถอดความและการแปล ตัวกลางระหว่างยีนและโปรตีนคือ mRNA ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการถอดรหัสบนหนึ่งในสาย DNA ในกรณีนี้ ลำดับของฐาน DNA ซึ่งนำข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีน จะถูก "เขียนใหม่" ในรูปแบบของลำดับของฐาน mRNA จากนั้น ในระหว่างการแปลไรโบโซม ลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA จะถูกอ่านโดยการถ่ายโอน RNA (tRNA) อย่างหลังมีปลายตัวรับซึ่งมีเรซิดิวกรดอะมิโนติดอยู่และปลายตัวต่อหรือแฝดแอนติโคดอนซึ่งจดจำโคดอน mRNA ที่สอดคล้องกัน ปฏิสัมพันธ์ของโคดอนและแอนตี้โคดอนเกิดขึ้นบนพื้นฐานของการจับคู่เบสเสริม: Adenine (A) - Uracil (U), Guanine (G) - Cytosine (C); ในกรณีนี้ ลำดับเบสของ mRNA จะถูกแปลเป็นลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนที่สังเคราะห์ สิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันใช้รหัสที่มีความหมายเหมือนกันซึ่งมีความถี่ต่างกันสำหรับกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน การอ่าน mRNA ที่เข้ารหัสสายโซ่โพลีเปปไทด์จะเริ่มต้น (เริ่มต้น) ด้วยโคดอน AUG ที่สอดคล้องกับกรดอะมิโนเมไทโอนีน โดยทั่วไปในโปรคาริโอต โคดอนการเริ่มต้นคือ GUG (วาลีน), UUG (ลิวซีน), AUU (ไอโซลิวซีน) และในยูคาริโอต - UUG (ลิวซีน), AUA (ไอโซลิวซีน), ACG (ทรีโอนีน), CUG (ลิวซีน) สิ่งนี้จะตั้งค่าสิ่งที่เรียกว่าเฟรมหรือเฟสของการอ่านระหว่างการแปล กล่าวคือ ลำดับนิวคลีโอไทด์ทั้งหมดของ mRNA จะถูกอ่านเป็นแฝดสามทีละแฝดของ tRNA จนกระทั่งพบโคดอนตัวใดตัวหนึ่งในสามตัวที่มักเรียกว่าโคดอนหยุด mRNA: UAA, UAG , UGA (ตาราง) การอ่านแฝดเหล่านี้นำไปสู่การสังเคราะห์สายพอลิเปปไทด์เสร็จสมบูรณ์

โคดอน AUG และหยุดปรากฏที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของบริเวณ mRNA ซึ่งเข้ารหัสโพลีเปปไทด์ ตามลำดับ

รหัสพันธุกรรมเป็นแบบกึ่งสากล ซึ่งหมายความว่ามีความแตกต่างกันเล็กน้อยในความหมายของโคดอนบางตัวระหว่างออบเจ็กต์ และสิ่งนี้ใช้กับโคดอนตัวสิ้นสุดเป็นหลักซึ่งอาจมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ในไมโตคอนเดรียของยูคาริโอตและไมโคพลาสมาบางชนิด UGA จะเข้ารหัสทริปโตเฟน นอกจากนี้ ใน mRNA ของแบคทีเรียและยูคาริโอตบางชนิด UGA จะเข้ารหัสกรดอะมิโนที่ผิดปกติ - เซลีโนซิสเทอีน และ UAG ในหนึ่งในแบคทีเรียจำพวก - ไพโรไลซีน

มีมุมมองตามรหัสพันธุกรรมที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ (สมมติฐาน "โอกาสแช่แข็ง") มีแนวโน้มว่าจะพัฒนามากขึ้น สมมติฐานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยการมีอยู่ของรหัสเวอร์ชันที่เรียบง่ายกว่าและเห็นได้ชัดว่าเก่ากว่า ซึ่งอ่านได้ในไมโตคอนเดรียตามกฎ "สองในสาม" เมื่อกรดอะมิโนถูกกำหนดโดยเพียงสองในสามฐานเท่านั้น ในแฝด

แปลจากภาษาอังกฤษ: Crick F. N. a. โอ ลักษณะทั่วไปของรหัสพันธุกรรมของโปรตีน // ธรรมชาติ พ.ศ. 2504. ฉบับ. 192; รหัสพันธุกรรม นิวยอร์ก 2509; Ichas M. รหัสชีวภาพ. ม. 2514; Inge-Vechtomov S.G. วิธีอ่านรหัสพันธุกรรม: กฎและข้อยกเว้น // วิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ ม., 2000. ต. 8; Ratner V. A. รหัสพันธุกรรมเป็นระบบ // วารสารการศึกษาของโซรอส พ.ศ. 2543 ต. 6. ลำดับที่ 3.

เอส.จี. อินเจ-เวคโตมอฟ

การจำแนกยีน

1) โดยธรรมชาติของการมีปฏิสัมพันธ์ในคู่อัลลีล:

เด่น (ยีนที่สามารถยับยั้งการสำแดงของยีนด้อยอัลลีลได้); - ถอย (ยีนที่ถูกยับยั้งการแสดงออกโดยยีนเด่นของอัลลีล)

2) การจำแนกประเภทการทำงาน:

2) รหัสพันธุกรรม- สิ่งเหล่านี้คือการรวมกันของนิวคลีโอไทด์และลำดับตำแหน่งของพวกมันในโมเลกุล DNA นี่เป็นลักษณะวิธีการของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในการเข้ารหัสลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนโดยใช้ลำดับนิวคลีโอไทด์

DNA ใช้นิวคลีโอไทด์สี่ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (A), กัวนีน (G), ไซโตซีน (C), ไทมีน (T) ซึ่งในวรรณคดีรัสเซียกำหนดด้วยตัวอักษร A, G, T และ C ตัวอักษรเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นตัวอักษรของ รหัสพันธุกรรม RNA ใช้นิวคลีโอไทด์ชนิดเดียวกัน ยกเว้นไทมีนซึ่งถูกแทนที่ด้วยนิวคลีโอไทด์ที่คล้ายกัน - ยูราซิล ซึ่งถูกกำหนดด้วยตัวอักษร U (U ในวรรณคดีรัสเซีย) ในโมเลกุล DNA และ RNA นิวคลีโอไทด์จะถูกจัดเรียงเป็นสายโซ่ดังนั้นจึงได้ลำดับของตัวอักษรทางพันธุกรรม

รหัสพันธุกรรม

ในการสร้างโปรตีนในธรรมชาติ ต้องใช้กรดอะมิโน 20 ชนิดที่แตกต่างกัน โปรตีนแต่ละตัวเป็นสายโซ่หรือหลายสายของกรดอะมิโนในลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ลำดับนี้จะกำหนดโครงสร้างของโปรตีนและคุณสมบัติทางชีวภาพทั้งหมด ชุดของกรดอะมิโนยังเป็นสากลสำหรับสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมด

การใช้ข้อมูลทางพันธุกรรมในเซลล์ที่มีชีวิต (นั่นคือการสังเคราะห์โปรตีนที่เข้ารหัสโดยยีน) ดำเนินการโดยใช้กระบวนการเมทริกซ์สองกระบวนการ: การถอดรหัส (นั่นคือการสังเคราะห์ mRNA บนเมทริกซ์ DNA) และการแปลรหัสพันธุกรรม ไปเป็นลำดับกรดอะมิโน (การสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์บนเมทริกซ์ mRNA) นิวคลีโอไทด์ที่ต่อเนื่องกันสามตัวเพียงพอที่จะเข้ารหัสกรดอะมิโน 20 ตัว เช่นเดียวกับสัญญาณหยุดที่ระบุจุดสิ้นสุดของลำดับโปรตีน ชุดของนิวคลีโอไทด์สามชุดเรียกว่าแฝด ตัวย่อที่ยอมรับซึ่งสอดคล้องกับกรดอะมิโนและโคดอนแสดงไว้ในรูปภาพ

คุณสมบัติของรหัสพันธุกรรม

1. ทริปเปิลตี้- หน่วยรหัสที่มีความหมายคือการรวมกันของสามนิวคลีโอไทด์ (แฝดหรือโคดอน)

2. ความต่อเนื่อง- ไม่มีเครื่องหมายวรรคตอนระหว่างแฝดสาม กล่าวคือ ข้อมูลจะถูกอ่านอย่างต่อเนื่อง

3. ความรอบคอบ- นิวคลีโอไทด์เดียวกันไม่สามารถเป็นส่วนหนึ่งของแฝดสองคนขึ้นไปพร้อมกันได้

4. ความจำเพาะ- โคดอนจำเพาะสอดคล้องกับกรดอะมิโนเพียงตัวเดียว

5. ความเสื่อม (ความซ้ำซ้อน)- โคดอนหลายตัวสามารถสอดคล้องกับกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้

6. ความเก่งกาจ - รหัสพันธุกรรมทำงานเหมือนกันในสิ่งมีชีวิตที่มีระดับความซับซ้อนต่างกันตั้งแต่ไวรัสไปจนถึงมนุษย์ (วิธีการทางพันธุวิศวกรรมเป็นไปตามสิ่งนี้)

3) การถอดเสียง - กระบวนการสังเคราะห์ RNA โดยใช้ DNA เป็นแม่แบบที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการถ่ายโอนข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยัง RNA

การถอดความจะถูกเร่งโดยเอนไซม์ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA กระบวนการสังเคราะห์ RNA ดำเนินไปในทิศทางจากปลาย 5" ถึงปลาย 3" กล่าวคือ RNA polymerase เคลื่อนที่ไปในทิศทาง 3"->5" ไปตามสายแม่แบบ DNA

การถอดความประกอบด้วยขั้นตอนของการเริ่มต้น การยืด และการสิ้นสุด

การเริ่มต้นของการถอดเสียง- กระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งขึ้นอยู่กับลำดับดีเอ็นเอใกล้กับลำดับการถอดเสียง (และในยูคาริโอตยังอยู่บนส่วนที่ห่างไกลกว่าของจีโนมด้วย - สารเพิ่มประสิทธิภาพและตัวเก็บเสียง) และขึ้นอยู่กับการมีหรือไม่มีปัจจัยโปรตีนต่างๆ

การยืดตัว- การคลี่คลาย DNA และการสังเคราะห์ RNA เพิ่มเติมตลอดห่วงโซ่การเข้ารหัสยังคงดำเนินต่อไป มันก็เหมือนกับการสังเคราะห์ DNA เกิดขึ้นในทิศทาง 5-3

การสิ้นสุด- ทันทีที่โพลีเมอเรสไปถึงเทอร์มิเนเตอร์ มันจะแยกออกจาก DNA ทันที ลูกผสม DNA-RNA ในพื้นที่จะถูกทำลาย และ RNA ที่สังเคราะห์ใหม่จะถูกส่งจากนิวเคลียสไปยังไซโตพลาสซึม และการถอดความเสร็จสมบูรณ์

กำลังประมวลผล- ชุดของปฏิกิริยาที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของผลิตภัณฑ์หลักของการถอดความและการแปลเป็นโมเลกุลที่ทำงาน โมเลกุลของสารตั้งต้นที่ไม่ใช้งานเชิงฟังก์ชันจะถูกสัมผัสกับ P กรดไรโบนิวคลีอิก (tRNA, rRNA, mRNA) และอื่นๆ อีกมากมาย โปรตีน

ในกระบวนการสังเคราะห์เอนไซม์ catabolic (ทำลายสารตั้งต้น) การสังเคราะห์เอนไซม์ที่เหนี่ยวนำไม่ได้เกิดขึ้นในโปรคาริโอต สิ่งนี้ทำให้เซลล์มีโอกาสปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมและประหยัดพลังงานโดยหยุดการสังเคราะห์เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องหากความต้องการหายไป
เพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์เอนไซม์ catabolic จำเป็นต้องมีเงื่อนไขต่อไปนี้:

1. เอนไซม์จะถูกสังเคราะห์เฉพาะเมื่อจำเป็นต้องสลายสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้องสำหรับเซลล์เท่านั้น
2. ความเข้มข้นของสารตั้งต้นในตัวกลางจะต้องเกินระดับหนึ่งก่อนจึงจะสามารถสร้างเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องได้
กลไกการควบคุมการแสดงออกของยีนใน Escherichia coli เป็นการศึกษาที่ดีที่สุดโดยใช้ตัวอย่างของ lac operon ซึ่งควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ catabolic 3 ชนิดที่สลายแลคโตส หากมีกลูโคสและแลคโตสจำนวนมากในเซลล์ โปรโมเตอร์จะยังคงไม่ทำงาน และโปรตีนรีเพรสเซอร์จะอยู่ที่ตัวดำเนินการ - การถอดรหัสของ lac operon จะถูกบล็อก เมื่อปริมาณกลูโคสในตัวกลางและในเซลล์ลดลงและแลคโตสเพิ่มขึ้นเหตุการณ์ต่อไปนี้จะเกิดขึ้น: ปริมาณของอะดีโนซีนโมโนฟอสเฟตแบบไซคลิกเพิ่มขึ้นมันจะจับกับโปรตีน CAP - คอมเพล็กซ์นี้จะกระตุ้นโปรโมเตอร์ที่ RNA polymerase ผูก; ในเวลาเดียวกันแลคโตสส่วนเกินจะจับกับโปรตีนตัวอัดและปล่อยตัวดำเนินการออกมา - เส้นทางเปิดสำหรับ RNA polymerase การถอดรหัสยีนโครงสร้างของ lac operon เริ่มต้นขึ้น แลคโตสทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นการสังเคราะห์เอนไซม์ที่จะสลายแลคโตส

5) การควบคุมการแสดงออกของยีนในยูคาริโอตมีความซับซ้อนกว่ามาก เซลล์ประเภทต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตหลายเซลล์สังเคราะห์โปรตีนที่เหมือนกันจำนวนหนึ่งและในเวลาเดียวกันก็แตกต่างกันในชุดโปรตีนที่จำเพาะต่อเซลล์ประเภทที่กำหนด ระดับการผลิตขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์ตลอดจนระยะการพัฒนาของสิ่งมีชีวิต การควบคุมการแสดงออกของยีนเกิดขึ้นในระดับเซลล์และสิ่งมีชีวิต ยีนของเซลล์ยูคาริโอตแบ่งออกเป็น สองประเภทหลัก: ประเภทแรกกำหนดความเป็นสากลของฟังก์ชันโทรศัพท์มือถือ ส่วนประเภทที่สองกำหนด (กำหนด) ฟังก์ชั่นเซลล์เฉพาะ การทำงานของยีน กลุ่มแรกปรากฏ ในทุกเซลล์- เพื่อทำหน้าที่ที่แตกต่าง เซลล์พิเศษจะต้องแสดงชุดของยีนเฉพาะ
โครโมโซม ยีน และโอเปอรอนของเซลล์ยูคาริโอตมีคุณสมบัติทางโครงสร้างและหน้าที่หลายประการ ซึ่งอธิบายความซับซ้อนของการแสดงออกของยีน
1. โอเปอรอนของเซลล์ยูคาริโอตมียีนหลายตัว - ตัวควบคุมซึ่งสามารถอยู่บนโครโมโซมต่างกัน
2. ยีนโครงสร้างที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ของกระบวนการทางชีวเคมีหนึ่งกระบวนการอาจมีความเข้มข้นในโอเปอเรเตอร์หลายตัวซึ่งไม่เพียง แต่อยู่ในโมเลกุล DNA เดียวเท่านั้น แต่ยังอยู่ในหลาย ๆ โมเลกุลด้วย
3. ลำดับที่ซับซ้อนของโมเลกุล DNA มีทั้งส่วนที่ให้ข้อมูลและไม่ให้ข้อมูล ลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ให้ข้อมูลที่ไม่ซ้ำกันและทำซ้ำซ้ำๆ
4. ยีนยูคาริโอตประกอบด้วยเอ็กซอนและอินตรอน และการสุกของ mRNA จะมาพร้อมกับการตัดอินตรอนออกจากทรานสคริปต์ RNA หลักที่เกี่ยวข้อง (โปร-RNA) เช่น ประกบกัน
5. กระบวนการถอดรหัสยีนขึ้นอยู่กับสถานะของโครมาติน การบดอัด DNA ในท้องถิ่นจะขัดขวางการสังเคราะห์ RNA อย่างสมบูรณ์
6. การถอดความในเซลล์ยูคาริโอตไม่ได้เกี่ยวข้องกับการแปลเสมอไป mRNA ที่สังเคราะห์แล้วสามารถเก็บไว้ได้เป็นเวลานานในรูปแบบของข้อมูล การถอดเสียงและการแปลเกิดขึ้นในส่วนต่างๆ
7. ยีนยูคาริโอตบางชนิดมีการแปลที่ไม่สอดคล้องกัน (ยีน labile หรือ transposons)
8. วิธีอณูชีววิทยาเผยให้เห็นถึงผลการยับยั้งของโปรตีนฮิสโตนต่อการสังเคราะห์ mRNA
9. ในระหว่างการพัฒนาและการแบ่งแยกอวัยวะ กิจกรรมของยีนขึ้นอยู่กับฮอร์โมนที่ไหลเวียนในร่างกายและทำให้เกิดปฏิกิริยาเฉพาะในเซลล์บางเซลล์ ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การออกฤทธิ์ของฮอร์โมนเพศมีความสำคัญ
10. ในยูคาริโอตในแต่ละขั้นตอนของการสร้างยีนจะมีการแสดงออกของยีน 5-10% ส่วนที่เหลือจะต้องถูกปิดกั้น

6) การซ่อมแซมสารพันธุกรรม

การซ่อมแซมทางพันธุกรรม- กระบวนการกำจัดความเสียหายทางพันธุกรรมและฟื้นฟูกลไกทางพันธุกรรมที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์พิเศษ ความสามารถของเซลล์ในการซ่อมแซมความเสียหายทางพันธุกรรมถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1949 โดยนักพันธุศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ. เคลล์เนอร์ ซ่อมแซม- ฟังก์ชั่นพิเศษของเซลล์ซึ่งประกอบด้วยความสามารถในการแก้ไขความเสียหายทางเคมีและการแตกตัวของโมเลกุล DNA ที่เสียหายระหว่างการสังเคราะห์ DNA ปกติในเซลล์หรือเป็นผลมาจากการสัมผัสกับสารเคมีหรือทางกายภาพ ดำเนินการโดยระบบเอนไซม์พิเศษของเซลล์ โรคทางพันธุกรรมจำนวนหนึ่ง (เช่น xeroderma pigmentosum) เกี่ยวข้องกับความผิดปกติของระบบการซ่อมแซม

ประเภทของการชดใช้:

การซ่อมแซมโดยตรงเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการกำจัดความเสียหายใน DNA ซึ่งโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับเอนไซม์เฉพาะที่สามารถกำจัดความเสียหายที่เกี่ยวข้องได้อย่างรวดเร็ว (โดยปกติจะอยู่ในขั้นตอนเดียว) โดยฟื้นฟูโครงสร้างเดิมของนิวคลีโอไทด์ ตัวอย่างเช่นในกรณีนี้กับ O6-methylguanine DNA methyltransferase ซึ่งจะกำจัดกลุ่มเมทิลออกจากฐานไนโตรเจนไปยังหนึ่งในซีสเตอีนที่ตกค้างของตัวเอง

ชุดบทความที่อธิบายต้นกำเนิดของประมวลกฎหมายแพ่งสามารถถือเป็นการสืบสวนเหตุการณ์ที่เรายังมีร่องรอยอยู่มากมาย อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจบทความเหล่านี้ต้องใช้ความพยายามในการทำความเข้าใจกลไกระดับโมเลกุลของการสังเคราะห์โปรตีน บทความนี้เป็นบทความเบื้องต้นสำหรับชุดสิ่งพิมพ์อัตโนมัติที่เกี่ยวข้องกับที่มาของรหัสพันธุกรรม และเป็นสถานที่ที่ดีที่สุดในการเริ่มต้นทำความคุ้นเคยกับหัวข้อนี้
โดยปกติ รหัสพันธุกรรม(GC) หมายถึงวิธี (กฎ) ในการเข้ารหัสโปรตีนบนโครงสร้างปฐมภูมิของ DNA หรือ RNA ในวรรณคดีมักเขียนว่านี่เป็นความสอดคล้องที่ชัดเจนของลำดับของนิวคลีโอไทด์สามตัวในยีนต่อกรดอะมิโนหนึ่งตัวในโปรตีนสังเคราะห์หรือจุดสิ้นสุดของการสังเคราะห์โปรตีน อย่างไรก็ตาม มีข้อผิดพลาดสองประการในคำจำกัดความนี้ นี่หมายถึงกรดอะมิโน 20 ชนิดที่เรียกว่า Canonical ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น กรดอะมิโนเหล่านี้เป็นโมโนเมอร์โปรตีน ข้อผิดพลาดมีดังนี้:

1) ไม่มีกรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ตัว แต่มีเพียง 19 ตัวเท่านั้น เราสามารถเรียกกรดอะมิโนซึ่งเป็นสารที่มีหมู่อะมิโน -NH 2 และกลุ่มคาร์บอกซิล - COOH พร้อมกัน ความจริงก็คือโปรตีนโมโนเมอร์ - โพรลีน - ไม่ใช่กรดอะมิโนเนื่องจากมีกลุ่มอิมิโนแทนที่จะเป็นกลุ่มอะมิโนดังนั้นจึงถูกต้องกว่าที่จะเรียกโพรลีนว่าเป็นกรดอิมิโน อย่างไรก็ตามในอนาคตในบทความทั้งหมดที่เกี่ยวกับ HA ฉันจะเขียนกรดอะมิโนประมาณ 20 ตัวเพื่อความสะดวกฉันจะเขียนโดยนัยถึงความแตกต่างที่ระบุ โครงสร้างกรดอะมิโนแสดงไว้ในรูปที่ 1 1.

ข้าว. 1. โครงสร้างของกรดอะมิโนมาตรฐาน กรดอะมิโนมีส่วนคงที่ตามที่ระบุด้วยสีดำในรูป และส่วนที่แปรผัน (หรืออนุมูล) ระบุด้วยสีแดง

2) ความสอดคล้องของกรดอะมิโนกับโคดอนไม่ได้คลุมเครือเสมอไป สำหรับการละเมิดกรณีที่ไม่มีความกำกวม โปรดดูด้านล่าง

การเกิดขึ้นของ GC หมายถึงการเกิดขึ้นของการสังเคราะห์โปรตีนที่เข้ารหัส เหตุการณ์นี้เป็นหนึ่งในเหตุการณ์สำคัญสำหรับการก่อตัวของสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรก

โครงสร้างของ HA จะแสดงเป็นรูปวงกลมในรูป 2.

ข้าว. 2. รหัสพันธุกรรมเป็นรูปทรงกลม วงกลมด้านในคืออักษรตัวแรกของโคดอน ตัวที่สองวงกลม - ตัวอักษรตัวที่สองของ codon, วงกลมที่สาม - ตัวอักษรที่สามของ codon, วงกลมที่สี่ - การกำหนดกรดอะมิโนในตัวย่อสามตัวอักษร; P - กรดอะมิโนขั้วโลก, NP - กรดอะมิโนที่ไม่มีขั้ว เพื่อความชัดเจนของความสมมาตร ลำดับของสัญลักษณ์ที่เลือกเป็นสิ่งสำคัญยู-ซี-เอ-จี

เรามาเริ่มอธิบายคุณสมบัติหลักของ HA กันดีกว่า

1. ความเป็นสามเท่ากรดอะมิโนแต่ละตัวจะถูกเข้ารหัสโดยลำดับนิวคลีโอไทด์สามลำดับ

2. การแสดงตนของเครื่องหมายวรรคตอนระหว่างพันธุกรรมเครื่องหมายวรรคตอนระหว่างพันธุกรรมรวมถึงลำดับกรดนิวคลีอิกซึ่งการแปลเริ่มต้นหรือสิ้นสุด

การแปลไม่สามารถเริ่มต้นจาก codon ใด ๆ แต่จาก codon ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้น - เริ่มต้น- รหัสเริ่มต้นประกอบด้วย AUG triplet ซึ่งจะเริ่มการแปล ในกรณีนี้ แฝดนี้จะเข้ารหัสเมไทโอนีนหรือกรดอะมิโนอื่น - ฟอร์มิลเมไทโอนีน (ในโปรคาริโอต) ซึ่งสามารถรวมไว้ที่จุดเริ่มต้นของการสังเคราะห์โปรตีนเท่านั้น ในตอนท้ายของแต่ละยีนที่เข้ารหัสโพลีเปปไทด์จะมีอย่างน้อยหนึ่งใน 3 หยุดรหัส, หรือ ไฟเบรก: UAA, UAG, UGA พวกเขายุติการแปล (ที่เรียกว่าการสังเคราะห์โปรตีนบนไรโบโซม)

3. ความกะทัดรัดหรือไม่มีเครื่องหมายวรรคตอนภายในภายในยีน แต่ละนิวคลีโอไทด์เป็นส่วนหนึ่งของโคดอนที่มีนัยสำคัญ

4. ไม่ทับซ้อนกันรหัสไม่ทับซ้อนกัน แต่ละรหัสมีชุดนิวคลีโอไทด์ตามลำดับของตัวเอง ซึ่งไม่ทับซ้อนกับชุดรหัสใกล้เคียงที่คล้ายกัน

5. ความเสื่อมความสอดคล้องกันแบบย้อนกลับในทิศทางของกรดอะมิโนต่อโคดอนนั้นไม่ชัดเจน คุณสมบัตินี้เรียกว่าความเสื่อม ชุดคือชุดของโคดอนที่สร้างรหัสให้กับกรดอะมิโนหนึ่งตัว กล่าวคือ มันคือหมู่ รหัสที่เทียบเท่า- ลองนึกถึงโคดอนเป็น XYZ ถ้า XY ระบุ "ความรู้สึก" (เช่น กรดอะมิโน) แล้วโคดอนจะถูกเรียกว่า แข็งแกร่ง- ถ้าต้องการระบุความหมายของโคดอน หากจำเป็นต้องใช้ Z บางตัว ก็จะมีการเรียกโคดอนดังกล่าว อ่อนแอ.

ความเสื่อมของรหัสมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความกำกวมของการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอน (แอนติโคดอนหมายถึงลำดับของนิวคลีโอไทด์สามตัวบน tRNA ซึ่งสามารถจับคู่อย่างสมบูรณ์กับโคดอนบน Messenger RNA (ดูบทความสองบทความสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้: กลไกระดับโมเลกุลเพื่อรับรองความเสื่อมของโค้ดและ กฎของลาเกอร์ควิสต์ เหตุผลเชิงฟิสิกส์และเคมีของสมมาตรและความสัมพันธ์ของรูเมอร์- แอนติโคดอนหนึ่งตัวบน tRNA สามารถจดจำโคดอนได้หนึ่งถึงสามตัวบน mRNA

6.ความไม่คลุมเครือแฝดแต่ละตัวเข้ารหัสกรดอะมิโนเพียงตัวเดียวหรือเป็นตัวยุติการแปล

มีข้อยกเว้นที่ทราบสามประการ

อันดับแรก. ในโปรคาริโอต ในตำแหน่งแรก (อักษรตัวใหญ่) จะเข้ารหัสฟอร์มิลเมไทโอนีน และในตำแหน่งอื่นคือ เมไทโอนีน ที่จุดเริ่มต้นของยีน ฟอร์มิลเมไทโอนีนจะถูกเข้ารหัสโดยทั้งรหัสเมไทโอนีน AUG และรหัสวาลีน GUG หรือ leucine UUG ซึ่งภายในยีนจะเข้ารหัสวาลีนและลิวซีนตามลำดับ

ในโปรตีนหลายชนิด ฟอร์มิลเมไทโอนีนจะถูกแยกออกหรือกลุ่มฟอร์มิลถูกกำจัดออกไป ส่งผลให้ฟอร์มิลเมไทโอนีนถูกแปลงเป็นเมไทโอนีนปกติ

ที่สอง. ในปี 1986 นักวิจัยหลายกลุ่มค้นพบว่า UGA stop codon บน mRNA สามารถเข้ารหัส selenocysteine ​​​​ได้ (ดูรูปที่ 3) โดยมีเงื่อนไขว่าตามด้วยลำดับนิวคลีโอไทด์พิเศษ

ข้าว. 3. โครงสร้างของกรดอะมิโนตัวที่ 21 - ซีลีโนซิสเทอีน

ยู อี. โคไล(นี่คือชื่อภาษาละตินของ Escherichia coli) selenocysteyl-tRNA ในระหว่างการแปลจะจดจำโคดอน UGA ใน mRNA แต่เฉพาะในบริบทบางอย่างเท่านั้น: เพื่อให้โคดอน UGA ได้รับการยอมรับว่ามีความหมาย ลำดับของนิวคลีโอไทด์ 45 ตัวที่มีความยาวอยู่หลัง UGA โคดอนเป็นสิ่งสำคัญ

ตัวอย่างที่พิจารณาแสดงให้เห็นว่า หากจำเป็น สิ่งมีชีวิตสามารถเปลี่ยนความหมายของรหัสพันธุกรรมมาตรฐานได้ ในกรณีนี้ ข้อมูลทางพันธุกรรมที่มีอยู่ในยีนนั้นจะถูกเข้ารหัสด้วยวิธีที่ซับซ้อนมากขึ้น ความหมายของโคดอนถูกกำหนดในบริบทของลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ขยายออกไปโดยเฉพาะ และด้วยการมีส่วนร่วมของปัจจัยโปรตีนที่มีความจำเพาะสูงหลายตัว สิ่งสำคัญคือต้องพบ selenocysteine ​​​​tRNA ในตัวแทนของทั้งสามสาขาของชีวิต (archaea, eubacteria และ eukaryotes) ซึ่งบ่งบอกถึงต้นกำเนิดของการสังเคราะห์ selenocysteine ​​​​ในสมัยโบราณและการมีอยู่ที่เป็นไปได้ในบรรพบุรุษร่วมสากลคนสุดท้าย (ซึ่งจะ จะกล่าวถึงในบทความอื่น ๆ ) เป็นไปได้มากว่าเซเลโนซิสเทอีนจะพบได้ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดโดยไม่มีข้อยกเว้น แต่ในสิ่งมีชีวิตใดก็ตาม selenocysteine ​​​​พบได้ในโปรตีนไม่เกินสิบชนิด มันเป็นส่วนหนึ่งของศูนย์กลางของเอนไซม์ที่ใช้งานอยู่ในจำนวนที่คล้ายคลึงกันซึ่งซิสเตอีนสามัญสามารถทำงานได้ในตำแหน่งที่คล้ายกัน

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้เชื่อกันว่ารหัส UGA สามารถอ่านได้เป็นซีลีโนซิสเทอีนหรือเทอร์มินัล แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าใน ciliates ยูโพลเตรหัส UGA เข้ารหัสซิสเทอีนหรือซีลีโนซิสเทอีน ซม. " รหัสพันธุกรรมทำให้เกิดความคลาดเคลื่อน"

ข้อยกเว้นประการที่สาม โปรคาริโอตบางชนิด (อาร์เคีย 5 ชนิดและยูแบคทีเรียมหนึ่งชนิด - ข้อมูลในวิกิพีเดียล้าสมัยมาก) มีกรดพิเศษ - ไพโรไลซีน (รูปที่ 4) มันถูกเข้ารหัสโดย Triplet UAG ซึ่งในโค้ด Canonical ทำหน้าที่เป็นตัวยุติการแปล สันนิษฐานว่าในกรณีนี้คล้ายกับกรณีที่มีการเข้ารหัส selenocysteine ​​​​การอ่าน UAG เป็นโคดอนไพโรไลซีนเกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างพิเศษบน mRNA ไพโรไลซีน tRNA มีแอนติโคดอน CTA และถูกอะมิโนเอซิเลตโดย ARSase คลาส 2 (สำหรับการจำแนกประเภทของ ARSases ดูบทความ “Codases ช่วยให้เข้าใจว่า รหัสพันธุกรรม ").

UAG ไม่ค่อยถูกใช้เป็นโคดอนหยุด และเมื่อมีการใช้ ก็มักจะตามด้วยโคดอนหยุดอื่นตามมา

ข้าว. 4. โครงสร้างของกรดอะมิโนตัวที่ 22 ของไพโรไลซีน

7. ความเก่งกาจหลังจากการถอดรหัสประมวลกฎหมายแพ่งเสร็จสมบูรณ์ในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมาเชื่อกันมานานแล้วว่ารหัสนั้นเหมือนกันในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นเอกภาพของต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลก

ลองทำความเข้าใจว่าทำไมประมวลกฎหมายแพ่งจึงเป็นสากล ความจริงก็คือว่าหากมีการเปลี่ยนแปลงกฎการเข้ารหัสในร่างกายอย่างน้อยหนึ่งข้อ สิ่งนี้จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของส่วนสำคัญของโปรตีน การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะรุนแรงเกินไปและเกือบจะเป็นอันตรายถึงชีวิตเสมอ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในความหมายของโคดอนเพียงตัวเดียวอาจส่งผลกระทบโดยเฉลี่ย 1/64 ของลำดับกรดอะมิโนทั้งหมด

สิ่งนี้นำไปสู่แนวคิดที่สำคัญมากประการหนึ่ง นั่นคือ GC แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงเลยนับตั้งแต่ก่อตั้งเมื่อกว่า 3.5 พันล้านปีก่อน ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างของมันมีร่องรอยของต้นกำเนิด และการวิเคราะห์โครงสร้างนี้สามารถช่วยให้เข้าใจได้อย่างชัดเจนว่า GC สามารถเกิดขึ้นได้อย่างไร

ในความเป็นจริง HA อาจแตกต่างกันบ้างในแบคทีเรีย, ไมโตคอนเดรีย, รหัสนิวเคลียร์ของ ciliates และยีสต์บางชนิด ปัจจุบันมีรหัสพันธุกรรมอย่างน้อย 17 รหัสที่แตกต่างจากรหัสมาตรฐานด้วย 1-5 รหัส โดยรวมแล้วในการเบี่ยงเบนที่ทราบทั้งหมดจาก Universal GK นั้นมีการใช้การทดแทนความหมายของรหัสที่แตกต่างกัน 18 รายการ การเบี่ยงเบนจากรหัสมาตรฐานมากที่สุดเป็นที่รู้จักสำหรับไมโตคอนเดรีย - 10 เป็นที่น่าสังเกตว่าไมโตคอนเดรียของสัตว์มีกระดูกสันหลัง หนอนตัวแบน และเอคโนเดิร์มถูกเข้ารหัสด้วยรหัสที่แตกต่างกัน ในขณะที่เชื้อรารา โปรโตซัว และซีเลนเตอเรตถูกเข้ารหัสด้วยรหัสเดียว

ความใกล้ชิดทางวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตไม่ได้รับประกันว่าพวกมันจะมี GC ที่คล้ายคลึงกัน รหัสพันธุกรรมอาจแตกต่างกันไปตามสปีชีส์ของมัยโคพลาสมาที่แตกต่างกัน (บางสปีชีส์มีรหัสมาตรฐาน ในขณะที่บางสปีชีส์มีรหัสที่แตกต่างกัน) สังเกตสถานการณ์ที่คล้ายกันสำหรับยีสต์

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าไมโตคอนเดรียเป็นลูกหลานของสิ่งมีชีวิตทางชีวภาพที่ปรับตัวให้อาศัยอยู่ภายในเซลล์ พวกมันมีจีโนมที่ลดลงอย่างมาก ยีนบางตัวได้ย้ายไปยังนิวเคลียสของเซลล์ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใน HA จึงไม่น่าทึ่งอีกต่อไป

ข้อยกเว้นที่ค้นพบในภายหลังเป็นที่สนใจเป็นพิเศษจากมุมมองเชิงวิวัฒนาการ เนื่องจากสามารถช่วยให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกลไกของการวิวัฒนาการของรหัสได้

ตารางที่ 1.

รหัสไมโตคอนเดรียในสิ่งมีชีวิตต่างๆ

โคดอน	รหัสสากล	รหัสไมโตคอนเดรีย
		สัตว์มีกระดูกสันหลัง	สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง	ยีสต์	พืช
ยูจีเอ	หยุด	ทีอาร์พี	ทีอาร์พี	ทีอาร์พี	หยุด
เอยูเอ	อิล	พบกัน	พบกัน	พบกัน	อิล
ซียูเอ	ลื้อ	ลื้อ	ลื้อ	ธ	ลื้อ
เอ.จี.เอ.	เรื่อง	หยุด	เซอร์	เรื่อง	เรื่อง
เอจีจี	เรื่อง	หยุด	เซอร์	เรื่อง	เรื่อง

กลไกสามประการในการเปลี่ยนกรดอะมิโนที่เข้ารหัสด้วยรหัส

ประการแรกคือเมื่อสิ่งมีชีวิตบางชนิดไม่ได้ใช้ (หรือเกือบจะไม่ได้ใช้) เนื่องจากการเกิดนิวคลีโอไทด์บางส่วน (องค์ประกอบ GC) หรือการรวมกันของนิวคลีโอไทด์ไม่สม่ำเสมอ เป็นผลให้โคดอนดังกล่าวอาจหายไปจากการใช้งานโดยสิ้นเชิง (เช่น เนื่องจากการสูญเสีย tRNA ที่เกี่ยวข้อง) และสามารถนำมาใช้ในการเข้ารหัสกรดอะมิโนอื่นในภายหลังได้โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญต่อร่างกาย กลไกนี้อาจเป็นสาเหตุให้เกิดรหัสภาษาถิ่นบางภาษาในไมโตคอนเดรีย

ประการที่สองคือการเปลี่ยนแปลงของโคดอนหยุดให้กลายเป็นความรู้สึกของไข่ ในกรณีนี้ โปรตีนที่แปลบางส่วนอาจมีการเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ได้รับการช่วยเหลือบางส่วนจากข้อเท็จจริงที่ว่ายีนจำนวนมากมักจะลงท้ายด้วยโคดอนหยุดไม่ใช่หนึ่งตัว แต่มีสองอัน เนื่องจากข้อผิดพลาดในการแปลเป็นไปได้ โดยที่โคดอนหยุดจะถูกอ่านเป็นกรดอะมิโน

ประการที่สามคือการอ่านรหัสโคดอนบางอย่างที่คลุมเครือได้ เช่นเดียวกับในกรณีของเชื้อราบางชนิด

8 . การเชื่อมต่อเรียกกลุ่มของโคดอนที่เทียบเท่ากัน (นั่นคือ โคดอนที่มีรหัสสำหรับกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน) ในซีรีส์- GC มี 21 ซีรี่ส์ รวมถึงรหัสหยุด ต่อไปนี้เพื่อความชัดเจน จะมีการเรียกกลุ่มโคดอนใดๆ ผู้ประสานงาน,ถ้าจากแต่ละโคดอนของกลุ่มนี้ คุณสามารถไปยังโคดอนอื่น ๆ ทั้งหมดของกลุ่มเดียวกันได้โดยการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่ต่อเนื่องกัน จากทั้งหมด 21 ซีรีย์ มี 18 ซีรีย์ที่เชื่อมต่อกัน 2 ซีรีย์มีโคดอนอย่างละ 1 ซีรีย์ และมีเพียง 1 ซีรีย์สำหรับซีรีนกรดอะมิโนเท่านั้นที่ไม่ได้เชื่อมต่อกัน และแบ่งออกเป็น 2 ซีรีย์ย่อยที่เชื่อมต่อกัน

ข้าว. 5. กราฟการเชื่อมต่อสำหรับชุดโค้ดบางชุด เอ - ชุดวาลีนที่เชื่อมต่อกัน; b - ชุด leucine ที่เชื่อมต่อกัน; ซีรีส์ซีรีนไม่ต่อเนื่องกันและแบ่งออกเป็นซีรีส์ย่อยสองชุดที่เชื่อมต่อกัน รูปนี้นำมาจากบทความโดย V.A. แรตเนอร์" รหัสพันธุกรรมเหมือนเป็นระบบ"

คุณสมบัติการเชื่อมต่อสามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าในช่วงเวลาของการก่อตัว GC จับรหัสใหม่ ซึ่งแตกต่างจากรหัสที่ใช้อยู่แล้วเพียงเล็กน้อย

9. ความสม่ำเสมอคุณสมบัติของกรดอะมิโนตามรากของแฝดสาม กรดอะมิโนทั้งหมดที่ถูกเข้ารหัสโดยแฝดสามของราก U นั้นไม่มีขั้ว ไม่มีคุณสมบัติและขนาดที่รุนแรง และมีอนุมูลอะลิฟาติก แฝดสามทั้งหมดที่มีราก C มีเบสแก่ และกรดอะมิโนที่พวกมันเข้ารหัสมีขนาดค่อนข้างเล็ก แฝดสามทั้งหมดที่มีราก A มีเบสอ่อนและเข้ารหัสกรดอะมิโนโพลาร์ที่มีขนาดไม่เล็ก โคดอนที่มีรูต G มีลักษณะพิเศษคือกรดอะมิโนและอนุกรมที่แปรปรวนและผิดปกติ พวกเขาเข้ารหัสกรดอะมิโนที่เล็กที่สุด (ไกลซีน) ที่ยาวที่สุดและแบนที่สุด (ทริปโตเฟน) ที่ยาวที่สุดและ gnarliest (อาร์จินีน) ที่มีปฏิกิริยามากที่สุด (ซิสเทอีน) และสร้างชุดย่อยที่ผิดปกติสำหรับซีรีน

10. ความปิดกั้น.ประมวลกฎหมายแพ่งสากลคือรหัส "บล็อก" ซึ่งหมายความว่ากรดอะมิโนที่มีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพคล้ายคลึงกันจะถูกเข้ารหัสโดยโคดอนที่ต่างกันด้วยเบสเดียว ลักษณะการบล็อกของโค้ดจะมองเห็นได้ชัดเจนในรูปต่อไปนี้

ข้าว. 6. โครงสร้างบล็อกของประมวลกฎหมายแพ่ง กรดอะมิโนที่มีหมู่อัลคิลจะแสดงเป็นสีขาว

ข้าว. 7. การแสดงสีของคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของกรดอะมิโนตามค่าที่อธิบายไว้ในหนังสือสไตเออร์ "ชีวเคมี"- ด้านซ้ายเป็นสารไม่ชอบน้ำ ทางด้านขวาคือความสามารถในการสร้างเกลียวอัลฟาในโปรตีน สีแดง เหลือง และน้ำเงินบ่งบอกถึงกรดอะมิโนที่มีความไม่ชอบน้ำสูง ปานกลาง และต่ำ (ซ้าย) หรือระดับความสามารถในการสร้างเกลียวอัลฟาที่สอดคล้องกัน (ขวา)

คุณสมบัติของความเป็นบล็อกและความสม่ำเสมอสามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าในช่วงเวลาของการก่อตัว GC จับโคดอนใหม่ ซึ่งแตกต่างจากที่ใช้แล้วเพียงเล็กน้อย

โคดอนที่มีฐานแรกเหมือนกัน (คำนำหน้าโคดอน) จะเข้ารหัสกรดอะมิโนด้วยวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่คล้ายกัน โคดอนของกรดอะมิโนที่อยู่ในตระกูลชิกิเมต, ไพรูเวต, แอสพาเทต และกลูตาเมตมี U, G, A และ C เป็นคำนำหน้าตามลำดับ บนเส้นทางของการสังเคราะห์กรดอะมิโนในสมัยโบราณและการเชื่อมโยงกับคุณสมบัติของโค้ดสมัยใหม่ โปรดดูที่ "คู่โบราณ" รหัสพันธุกรรมถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยวิถีการสังเคราะห์กรดอะมิโน" จากข้อมูลเหล่านี้ นักวิจัยบางคนสรุปว่าการก่อตัวของรหัสได้รับอิทธิพลอย่างมากจากความสัมพันธ์ทางสังเคราะห์ทางชีวภาพระหว่างกรดอะมิโน อย่างไรก็ตาม ความคล้ายคลึงกันของวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพไม่ได้หมายความว่ามีความคล้ายคลึงกันเลย คุณสมบัติทางเคมีกายภาพ

11. ภูมิคุ้มกันทางเสียงในรูปแบบทั่วไปที่สุด ภูมิคุ้มกันทางเสียงของ HA หมายความว่าด้วยการกลายพันธุ์แบบจุดสุ่มและข้อผิดพลาดในการแปล คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของกรดอะมิโนจะไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก

การแทนที่นิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวในแฝดในกรณีส่วนใหญ่จะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกรดอะมิโนที่ถูกเข้ารหัส หรือนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเป็นกรดอะมิโนที่มีขั้วเดียวกัน

หนึ่งในกลไกที่ทำให้มั่นใจได้ถึงภูมิคุ้มกันทางเสียงของ GC ก็คือความเสื่อมของมัน ความเสื่อมโดยเฉลี่ยเท่ากับจำนวนของสัญญาณที่ถูกเข้ารหัส/จำนวนโคดอนทั้งหมด โดยที่สัญญาณที่ถูกเข้ารหัสรวมถึงกรดอะมิโน 20 ตัวและเครื่องหมายการสิ้นสุดการแปลรหัส ความเสื่อมโดยเฉลี่ยของกรดอะมิโนทั้งหมดและสัญญาณการสิ้นสุดคือ 3 โคดอนต่อสัญญาณที่เข้ารหัส

เพื่อที่จะวัดปริมาณภูมิคุ้มกันทางเสียง เราแนะนำแนวคิดสองประการ การกลายพันธุ์ของการทดแทนนิวคลีโอไทด์ที่ไม่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในระดับของกรดอะมิโนที่เข้ารหัสเรียกว่า ซึ่งอนุรักษ์นิยม.การกลายพันธุ์ของการทดแทนนิวคลีโอไทด์ที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงระดับของกรดอะมิโนที่เข้ารหัสเรียกว่า หัวรุนแรง .

แฝดแต่ละตัวอนุญาตให้เปลี่ยนตัวได้ 9 คน มีกรดอะมิโนเข้ารหัสทั้งหมด 61 ตัว ดังนั้น จำนวนการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่เป็นไปได้สำหรับโคดอนทั้งหมดจึงเท่ากับ

61 x 9 = 549 ในจำนวนนี้:

การทดแทนนิวคลีโอไทด์ 23 ครั้งส่งผลให้เกิดโคดอนหยุด

การทดแทน 134 รายการไม่เปลี่ยนกรดอะมิโนที่ถูกเข้ารหัส
การทดแทน 230 จะไม่เปลี่ยนประเภทของกรดอะมิโนที่ถูกเข้ารหัส
การแทนที่ 162 ครั้งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงประเภทกรดอะมิโน กล่าวคือ เป็นคนหัวรุนแรง
จากการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่ 3 จำนวน 183 ครั้ง มี 7 รายการนำไปสู่การปรากฏตัวของตัวยุติการแปลและ 176 รายการเป็นแบบอนุรักษ์นิยม
จากการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่ 1 จำนวน 183 ครั้ง 9 รายการนำไปสู่การปรากฏตัวของเทอร์มิเนเตอร์ 114 รายการเป็นแบบอนุรักษ์นิยมและ 60 รายการเป็นแบบรุนแรง
จากการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่ 2 จำนวน 183 ครั้ง 7 ครั้งนำไปสู่การปรากฏตัวของเทอร์มิเนเตอร์ 74 รายการเป็นแบบอนุรักษ์นิยม 102 รายการเป็นแบบรุนแรง

จากการคำนวณเหล่านี้ เราได้ค่าประมาณเชิงปริมาณของภูมิคุ้มกันทางเสียงของโค้ดเป็นอัตราส่วนของจำนวนการทดแทนแบบอนุรักษ์นิยมต่อจำนวนการแทนที่แบบรุนแรง เท่ากับ 364/162=2.25

เมื่อประเมินการมีส่วนร่วมของความเสื่อมต่อภูมิคุ้มกันทางเสียงตามความเป็นจริง จำเป็นต้องคำนึงถึงความถี่ของการเกิดกรดอะมิโนในโปรตีนซึ่งแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ต่างๆ

สาเหตุของการป้องกันเสียงรบกวนของรหัสคืออะไร? นักวิจัยส่วนใหญ่เชื่อว่าคุณสมบัตินี้เป็นผลมาจากการเลือก GC ทางเลือก

Stephen Freeland และ Lawrence Hurst สร้างรหัสแบบสุ่มและพบว่ามีเพียงหนึ่งในร้อยรหัสเท่านั้นที่สามารถต้านทานสัญญาณรบกวนได้ไม่น้อยไปกว่ารหัสสากล
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นเกิดขึ้นเมื่อนักวิจัยเหล่านี้แนะนำข้อจำกัดเพิ่มเติมเพื่อพิจารณาแนวโน้มที่แท้จริงของรูปแบบการกลายพันธุ์ของ DNA และข้อผิดพลาดในการแปล ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว มีเพียงหนึ่งรหัสจากล้านรหัสที่เป็นไปได้เท่านั้นที่กลับกลายเป็นว่าดีกว่ารหัสมาตรฐาน
ความมีชีวิตชีวาที่ไม่เคยมีมาก่อนของรหัสพันธุกรรมนี้สามารถอธิบายได้ง่ายที่สุดด้วยความจริงที่ว่ามันถูกสร้างขึ้นจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติ บางทีครั้งหนึ่งอาจมีรหัสมากมายในโลกทางชีววิทยา ซึ่งแต่ละรหัสมีความอ่อนไหวต่อข้อผิดพลาดของตัวเอง สิ่งมีชีวิตที่รับมือกับพวกมันได้ดีกว่ามีโอกาสรอดชีวิตมากกว่า และรหัสมาตรฐานก็ชนะการต่อสู้เพื่อการดำรงอยู่ สมมติฐานนี้ดูค่อนข้างสมจริง เพราะเรารู้ว่ามีโค้ดสำรองอยู่จริง หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับภูมิคุ้มกันทางเสียง โปรดดูที่ Coded Evolution (S. Freeland, L. Hirst “Coded Evolution” // ในโลกแห่งวิทยาศาสตร์ - 2004, No. 7)

โดยสรุป ฉันเสนอให้นับจำนวนรหัสพันธุกรรมที่เป็นไปได้ที่สามารถสร้างได้สำหรับกรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ตัว ด้วยเหตุผลบางอย่าง ฉันไม่พบหมายเลขนี้เลย ดังนั้นเราจึงต้องการให้ GC ที่สร้างขึ้นจะต้องมีกรดอะมิโน 20 ตัวและสัญญาณหยุดซึ่งเข้ารหัสโดย CODON อย่างน้อยหนึ่งตัว

ลองนับเลขโคดอนในใจกัน เราจะให้เหตุผลดังนี้ หากเรามีโคดอน 21 ตัวพอดี กรดอะมิโนและสัญญาณหยุดแต่ละตัวจะครอบครองโคดอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น ในกรณีนี้ จะมี GC ที่เป็นไปได้ 21 รายการ!

หากมี 22 โคดอน ก็จะมีโคดอนพิเศษปรากฏขึ้นมา ซึ่งสามารถมีประสาทสัมผัสใด ๆ ก็ได้จาก 21 ประสาทสัมผัส และโคดอนนี้สามารถอยู่ในตำแหน่งใดก็ได้จาก 22 ตำแหน่ง ในขณะที่โคดอนที่เหลือจะมีประสาทสัมผัสที่แตกต่างกันเพียงจุดเดียว ดังเช่นในกรณีของ 21 รหัส จากนั้นเราจะได้จำนวนชุดค่าผสม 21!x(21x22)

หากมีโคดอน 23 ตัว เมื่อให้เหตุผลในทำนองเดียวกัน เราก็จะได้ว่าแต่ละโคดอน 21 ตัวมีความหมายที่แตกต่างกันคนละ 1 ตัว (21 ตัวเลือก) และโคดอน 2 ตัวมีความหมายที่แตกต่างกัน 21 ตัวในแต่ละตัว (21 2 ความหมายโดยมีตำแหน่งคงที่ของโคดอนเหล่านี้) จำนวนตำแหน่งที่แตกต่างกันสำหรับรหัสทั้งสองนี้คือ 23x22 จำนวนตัวแปร GC ทั้งหมดสำหรับ 23 โคดอนคือ 21!x21 2 x23x22

หากมี 24 รหัส จำนวน GC จะเป็น 21!x21 3 x24x23x22,...

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

หากมี 64 รหัส จำนวน GC ที่เป็นไปได้จะเป็น 21!x21 43 x64!/21! = 21 43 x64! ~ 9.1x10 145