15.1: Генетичний код

Last updated
Save as PDF

Page ID: 8198

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Центральна догма: ДНК кодує РНК; РНК кодує білок

Підсумовуючи те, що ми знаємо до цього моменту, клітинний процес транскрипції генерує месенджерну РНК (мРНК), мобільну молекулярну копію одного або декількох генів з алфавітом A, C, G та uracil (U). Переклад шаблону мРНК перетворює генетичну інформацію на основі нуклеотидів в білковий продукт. Цей потік генетичної інформації в клітині від ДНК до мРНК до білка описується Центральною догмою (рис.\(\PageIndex{1}\)), яка стверджує, що гени визначають послідовність мРНК, які, в свою чергу, визначають послідовність білків. Розшифровка однієї молекули в іншу виконується специфічними білками і РНК. Оскільки інформація, що зберігається в ДНК, є настільки центральною для клітинної функції, інтуїтивно зрозумілий сенс, що клітина зробить копії мРНК цієї інформації для синтезу білка, зберігаючи при цьому саму ДНК недоторканою та захищеною.

Виявляється, центральна догма не завжди вірна. Однак тут ми не будемо обговорювати винятки.

Щоб зробити білок, генетична інформація, закодована ДНК, повинна транскрибуватися на молекулу мРНК. Потім РНК обробляється сплайсингом для видалення екзонів та додаванням 5-футового ковпачка та хвоста Poly-A. Потім рибосома зчитує послідовність на мРНК і використовує цю інформацію для рядка амінокислот в білок. — **Малюнок\(\PageIndex{1}\):** Інструкції щодо ДНК транскрибуються на РНК месенджера. Рибосоми здатні зчитувати генетичну інформацію, вписану на нитку месенджерної РНК, і використовувати цю інформацію, щоб зв'язати амінокислоти разом у білок.

Амінокислотна структура

Білкові послідовності складаються з 20 часто зустрічаються амінокислот (рис.\(\PageIndex{2}\)); тому можна сказати, що білковий алфавіт складається з 20 букв. Різні амінокислоти мають різні хімічні речовини (наприклад, кислотні проти основних, або полярні та неполярні) та різні структурні обмеження. Зміна послідовності амінокислот породжує величезні зміни в білковій структурі і функції.

Наведено структури з двадцяти амінокислот. Шість амінокислот - гліцин, аланін, валін, лейцин, метіонін та ізолейцин - неполярні та аліфатичні, тобто вони не мають кільця. Шість амінокислот - серин, треонін, цистеїн, пролін, аспарагін та глутамат - полярні, але незаряджені. Три амінокислоти - лізин, аргінін та гістидин - заряджені позитивно. Дві амінокислоти, глутамат і аспартат, заряджені негативно. Три амінокислоти - фенілаланін, тирозин та триптофан - неполярні та ароматичні. — **Малюнок\(\PageIndex{2}\):** Показані структури 20 амінокислот, що містяться в білках. Кожна амінокислота складається з аміногрупи (NH ₃ ⁺), карбоксильної групи (COO ^-) і бічного ланцюга (синій). Бічний ланцюг може бути неполярною, полярної або зарядженої, а також великою або малою. Саме різноманітність бічних ланцюгів амінокислот породжує неймовірну зміну структури та функції білка.

Генетичний код

Кожна амінокислота визначається тринуклеотидною послідовністю, яка називається триплетний кодон. Зв'язок між нуклеотидним кодоном і відповідною йому амінокислотою називається генетичним кодом. З огляду на різну кількість «букв» в мРНК (4 — A, U, C, G) і білкових «алфавітів» (20 різних амінокислот) один нуклеотид не міг відповідати одній амінокислоті. Нуклеотидних дублетів також було б недостатньо, щоб вказати кожну амінокислоту, оскільки існує лише 16 можливих двонуклеотидних комбінацій (4 ²). На відміну від цього, існує 64 можливих нуклеотидних трійни (4 ³), що набагато більше, ніж кількість амінокислот. Вчені припускали, що амінокислоти кодуються нуклеотидними трійнями і що генетичний код вироджений. Іншими словами, дана амінокислота може бути закодована більш ніж одним нуклеотидним триплетом (рис.\(\PageIndex{3}\)). Ці нуклеотидні трійниці називаються кодонами.

Один і той же кодон завжди буде вказувати введення однієї конкретної амінокислоти. Діаграма, показана на малюнку,\(\PageIndex{3}\) може бути використана для перекладу послідовності мРНК в послідовність амінокислот. Наприклад, кодон UUU завжди спричинить введення амінокислоти фенілаланін (Phe), тоді як кодон UUA призведе до введення лейцину (Leu).

На малюнку показані всі 64 кодони. Шістдесят два цих коду для амінокислот, а три - стоп-кодони. — **Малюнок\(\PageIndex{3}\):** Цей малюнок показує генетичний код для перекладу кожного нуклеотидного триплета в мРНК в амінокислоту або сигнал припинення в зароджується білку. (Кредит: модифікація роботи NIH)

Кожен набір з трьох основ (один кодон) викликає введення однієї певної амінокислоти в зростаючий білок. Це означає, що введення одного або двох нуклеотидів може повністю змінити триплетний «кадр читання», тим самим змінюючи повідомлення для кожної наступної амінокислоти (рис.\(\PageIndex{4}\)). Хоча введення трьох нуклеотидів призводить до введення додаткової амінокислоти під час трансляції, цілісність решти білка зберігається.

На ілюстрації показана мутація зрушення кадру, в якій кадр читання змінюється шляхом видалення двох амінокислот. — **Малюнок\(\PageIndex{4}\):** Видалення двох нуклеотидів зміщує кадр зчитування мРНК і змінює все білкове повідомлення, створюючи нефункціональний білок або взагалі припиняючи синтез білка.

Три з 64 кодонів припиняють синтез білка і вивільняють поліпептид з машини перекладу. Ці трійня називаються стоп-кодонами. Ще один кодон, AUG, також має особливу функцію. Крім вказівки амінокислоти метіоніну, він також служить початковим кодоном для ініціювання перекладу. Кадр читання для перекладу встановлюється початковим кодоном AUG поблизу 5′ кінця мРНК. Генетичний код універсальний. За кількома винятками, практично всі види використовують один і той же генетичний код для синтезу білка, що є потужним доказом того, що все живе на Землі має спільне походження.

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. 2 січня 2017 року https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10...fig-ch15_01_05