2.7: Деталь - Генетичний код*
- Page ID
- 29859
Основним будівельним блоком вашого тіла є клітина. Дві або більше груп клітин утворюють тканини, такі як кістки або м'язи; тканини організовуються для формування органів, таких як серце або мозок; органи утворюють системи органів, такі як кровоносна система або нервова система; системи органів разом формують вас, організм. Клітини можна класифікувати як клітини еукаріот або прокаріот - з ядром або без нього відповідно. Клітини, що складають ваше тіло, і клітини всіх тварин, рослин та грибів є еукаріотичними. Прокаріоти - це бактерії і ціанобактерії.
Ядро утворює окремий відсік від решти клітинного тіла; це відділення служить центральним центром зберігання всієї спадкової інформації клітин еукаріот. Вся генетична інформація, яка формує книгу життя, зберігається на окремих хромосомах, знайдених всередині ядра. У здорової людини налічується 23 пари хромосом (всього 46). Кожна з хромосом містить одну ниткоподібну молекулу дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Гени - це функціональні області уздовж цих ниток ДНК і є основними фізичними одиницями, які несуть спадкову інформацію від одного покоління до наступного. У прокаріотів хромосоми вільно плавають в тілі клітини, оскільки немає ядра.
Молекули ДНК складаються з двох взаємопов'язаних ланцюгів нуклеотидів, які утворюють одну нитку ДНК. Кожен нуклеотид складається з цукру, фосфату та однієї з чотирьох основ. Підставами є аденін, гуанін, цитозин і тимін. Для зручності кожен нуклеотид посилається на його основу; замість того, щоб говорити про дезоксигуанозинмонофосфат, ми б просто сказали гуанін (або G), маючи на увазі індивідуальний нуклеотид. Таким чином, ми могли б написати CCACCA, щоб вказати ланцюг взаємопов'язаних цитозин-цитозин-аденін-цитозин-цитозинеаденін-нуклеотидів.
Окремі нуклеотидні ланцюга з'єднані між собою за допомогою спарювання їх нуклеотидних основ в єдину структуру подвійної спіралі. Правила спарювання полягають у тому, що цитозин завжди поєднується з гуаніном, а тимін завжди пар з аденіном. Ці ланцюги ДНК розмножуються під час поділу соматичних клітин (тобто поділу всіх клітин, крім тих, які судилися бути статевими клітинами), і повна генетична інформація передається одержаним клітинам
Гени входять до складу хромосом і закодовані на нитки ДНК. Окремі функціональні ділянки ниткоподібної ДНК називаються генами. Інформація, закодована в генах, спрямовує на підтримку і розвиток клітини і організму. Ця інформація проходить шлях від входу до виходу: ДНК (гени) ⇒ мРНК (месенджер рибонуклеїнової кислоти) ⇒ рибосома/тРНК ⇒ Білок. По суті, білок є кінцевим виходом, який генерується з генів, які служать кресленнями для окремих білків.
Самі білки можуть бути структурними компонентами вашого організму (наприклад, м'язовими волокнами) або функціональними компонентами (ферментами, які допомагають регулювати тисячі біохімічних процесів у вашому організмі). Білки побудовані з поліпептидних ланцюгів, які представляють собою всього лише струни амінокислот (єдиний поліпептидний ланцюг становить білок, але часто функціональні білки складаються з декількох поліпептидних ланцюгів).
Генетичне повідомлення передається від ДНК клітинного ядра до рибосом поза ядром через месенджерну РНК (рибосоми - це клітинні компоненти, які допомагають у можливому побудові кінцевого білка). Транскрипція - це процес, при якому з ДНК генерується месенджерна РНК. РНК месенджера є копією ділянки єдиного нуклеотидного ланцюга. Це одна нитка, точно так само, як ДНК, за винятком відмінностей в нуклеотидному цукрі і що базовий тимін замінюється урацилом. Messenger РНК утворюється за тим же правилом сполучення бази, що і ДНК, за винятком T замінюється U (C до G, U до A).
Цей месенджер РНК перекладається в організмі клітини, за допомогою рибосом і тРНК, в низку амінокислот (білок). Рибосома утримує месенджерну РНК на місці, а трансферна РНК поміщає відповідну амінокислоту в формуючий білок, схематично проілюстрований на малюнку 2.4.
РНК месенджера перекладається в білок шляхом спочатку стикування з рибосомою. Ініціатор тРНК зв'язується з рибосомою в точці, що відповідає стартовому кодону на нитку мРНК - у людини це відповідає кодону AUG. Ця молекула тРНК несе відповідну амінокислоту, яку вимагає кодон, і збігається з ланцюгом мРНК в іншому місці вздовж його нуклеотидного ланцюга, який називається антикодоном. Облігації утворюються за допомогою того ж базового правила сполучення для мРНК та ДНК (є деякі винятки для сполучення, які будуть проігноровані для простоти). Тоді друга молекула тРНК буде стикуватися на рибосомі сусіднього місця, зазначеного наступним кодоном. Він також буде нести відповідну амінокислоту, яку вимагає кодон. Після того, як обидві молекули тРНК стикуються на рибосомі амінокислоти, які вони несуть зв'язок разом. Початкова молекула тРНК від'єднається, залишивши позаду свою амінокислоту на нині зростаючому ланцюжку амінокислот. Тоді рибосома зміститься над одним місцем на нитку мРНК, щоб звільнити місце для іншої молекули тРНК для стикування з іншою амінокислотою. Цей процес триватиме до тих пір, поки не буде зчитуватися стоп-кодон на мРНК; у людей чинниками припинення є UAG, UAA та UGA. Коли стоп-кодон зчитується, ланцюжок амінокислот (білка) буде вивільнятися на рибосомной структурі.
Що таке амінокислоти? Вони являють собою органічні сполуки з центральним атомом вуглецю, до якого приєднуються ковалентні зв'язки.
- одиничний атом водню H
- аміногрупа NH\(_2\)
- карбоксильної групи СООН
- бічний ланцюг, різні для кожної амінокислоти
Бічні ланцюги варіюються за складністю від одного атома водню (для амінокислоти гліцину) до структур, що містять цілих 18 атомів (аргінін). Таким чином, кожна амінокислота містить від 10 до 27 атомів. Рівно двадцять різних амінокислот (іноді їх називають «загальними амінокислотами») використовуються у виробництві білків, як описано вище. Десять з них вважаються «необхідними», оскільки вони не виробляються в організмі людини і тому повинні купуватися через їжу (аргінін необхідний для немовлят та зростаючих дітей). Дев'ять амінокислот гідрофільні (водорозчинні) і вісім - гідрофобні (інші три називаються «особливими»). З гідрофільних амінокислот дві мають чистий негативний заряд у своїх бічних ланцюгах і, отже, кислі, три мають чистий позитивний заряд і тому є основними; і чотири мають незаряджені бічні ланцюги. Зазвичай бічні ланцюги повністю складаються з водню, азоту, вуглецю та атомів кисню, хоча два (цистеїн та метіонін) також мають сірку.
Існує двадцять різних поширених амінокислот, які потрібно закодувати і тільки чотири різних основи. Як це робиться? Як одиничні сутності нуклеотиди (A, C, T або G) могли кодувати лише чотири амінокислоти, очевидно, недостатньо. Як пари вони могли б код для 16 (4\(^2\)) амінокислот, знову ж таки недостатньо. За допомогою трійників ми могли б кодувати 64 (4\(^3\)) можливі амінокислоти - саме так це робиться в організмі, а рядок з трьох нуклеотидів разом називається кодоном. Навіщо це робиться? Як еволюція розробила такий неефективний код з такою великою надмірністю? Існує кілька кодонів для однієї амінокислоти з двох основних біологічних причин: кілька видів тРНК існують з різними антикодонами, щоб принести певні амінокислоти до рибосоми, і під час перекладу можуть виникати помилки/неакуратне сполучення (це називається коливанням).
Кодони, струни з трьох нуклеотидів, таким чином код для амінокислот. У таблицях нижче наведено генетичний код, від кодону РНК месенджера до амінокислоти та різні властивості амінокислот\(^1\) У таблицях нижче * розшифровується як (U, C, A або G); таким чином CU* може бути або CUU, CUC, CUA або CUG.
Таблиця 2.5: Конденсована діаграма амінокислот
| Символи | Амінокислота | М Вт | Властивості | Кодон (и) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ала | A | Аланін | 89.09 | Несуттєві | Гідрофобні | ГК* |
| Арг | Р | Аргінін | 174.20 | Ефірні | Гідрофільні, базові | CG* АГА AGG |
| Асн | П | аспарагін | 132.12 | Несуттєві | Гідрофільні, незаряджені | ААУ — ВААК |
| Жерех | D | Аспарагінова кислота | 133.10 | Несуттєві | Гідрофільні, кислі | ГАУ ГАЦ |
| Cys | C | Цистеїн | 121.15 | Несуттєві | Спеціальні | УГУ УГК |
| Глен | Q | Глютамин | 146.15 | Несуттєві | Гідрофільні, незаряджені | CAA КІШКА |
| Глю | Е | глутамінова кислота | 147.13 | Несуттєві | Гідрофільні, кислі | ГАА КЛЯП |
| Гли | Г | Гліцин | 75.07 | Несуттєві | Спеціальні | ГГ* |
| Його | Ч | Гістидин | 155.16 | Ефірні | Гідрофільні, незаряджені | КАУ САК |
| Іль | Я | Ізолейцин | 131.17 | Ефірні | Гідрофільні, кислі | АУУ — АУА |
| Лей | Л | лейцин | 131.17 | Ефірні | Спеціальні | УА УУГ КУ* |
| Лис | К | Лізин | 146.19 | Ефірні | Гідрофільні, базові | ААА ААГ |
| Зустріли | М | Метіонін | 149.21 | Ефірні | Гідрофобні | СЕРП |
| Фе | F | Фенілаланін | 165.19 | Ефірні | Гідрофобні | УУУ УУК |
| Про | Р | Пролін | 115.13 | Несуттєві | Спеціальні | CC* |
| Сер | S | Серин | 105.09 | Несуттєві | Гідрофільні, незаряджені | УК* АГУ АГК |
| Thr | Т | Треонін | 119.12 | Ефірні | Гідрофільні, незаряджені | АК* |
| Трп | Ш | Триптофан | 204.23 | Ефірні | Гідрофобні | УГГІ |
| Тир | У | тирозин | 181.19 | Несуттєві | Гідрофобні | УАУ UAC |
| Вал | V | Валін | 117.15 | Ефірні | Гідрофобні | ГУ* |
| старт | Метіонін | СЕРП | ||||
| зупинити | УАА АГА ГУГА | |||||
*Цей розділ заснований на примітках, написаних Тімом Вагнером
\(^1\)shown are the one-letter abbreviation for each, its molecular weight, and some of its properties, taken from H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk, S. L. Zipursky, P. Matsudaira, and J. Darnell, “Molecular Cell Biology,” third edition, W. H. Freeman and Company, New York, NY; 1995.