رمز ثلاثي. الكود الجيني كطريقة لتسجيل المعلومات الوراثية

الكود الجيني ، وهو نظام لتسجيل المعلومات الوراثية في شكل سلسلة من القواعد النوكليوتيدية في جزيئات الحمض النووي (في بعض الفيروسات - الحمض النووي الريبي) ، والذي يحدد الهيكل الأساسي (ترتيب بقايا الأحماض الأمينية) في جزيئات البروتين (عديد الببتيدات). تمت صياغة مشكلة الكود الجيني بعد إثبات الدور الجيني للحمض النووي (علماء الأحياء المجهرية الأمريكيون O. Avery ، K. McLeod ، M. McCarthy ، 1944) وفك تشفير هيكلها (J. Watson ، F. Crick ، ​​1953) ، بعد التأسيس أن الجينات تحدد بنية ووظائف الإنزيمات (مبدأ "جين واحد - إنزيم واحد" بواسطة J. Beadle و E. Tatema ، 1941) وأن هناك اعتمادًا على التركيب المكاني ونشاط البروتين على بنيته الأولية (ف. سنجر ، 1955). تم طرح السؤال حول كيفية تحديد مجموعات من 4 قواعد من الأحماض النووية تناوب 20 من مخلفات الأحماض الأمينية الشائعة في عديد الببتيدات لأول مرة بواسطة G.Gamow في عام 1954.

بناءً على تجربة تمت فيها دراسة تفاعلات إدخال وحذف زوج من النيوكليوتيدات ، في أحد جينات البكتيريا T4 و F. ، كل بقايا من الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد تتوافق مع مجموعة من ثلاث قواعد (ثلاثية ، أو كودون) في الحمض النووي للجين ؛ قراءة الكودونات داخل الجين تنطلق من نقطة ثابتة ، في اتجاه واحد و "بدون فواصل" ، أي أن الكودونات لا تفصل بينها أي إشارات عن بعضها البعض ؛ الانحلال ، أو التكرار ، - يمكن لبقايا الأحماض الأمينية نفسها تشفير عدة أكواد (أكواد مترادفة). اقترح المؤلفون أن الكودونات لا تتداخل (كل قاعدة تنتمي إلى كودون واحد فقط). استمرت الدراسة المباشرة لقدرة التشفير لثلاثة توائم باستخدام نظام تخليق بروتين خالٍ من الخلايا تحت سيطرة الرنا المرسال الاصطناعي (مرنا). بحلول عام 1965 ، تم فك الشفرة الوراثية بالكامل في أعمال S. Ochoa و M. Nirenberg و H.G. Korana. كان كشف لغز الشفرة الجينية أحد الإنجازات البارزة لعلم الأحياء في القرن العشرين.

يحدث تنفيذ الشفرة الجينية في الخلية في سياق عمليتين مصفوفتين - النسخ والترجمة. الوسيط بين الجين والبروتين هو mRNA ، والذي يتكون أثناء النسخ على أحد خيوط الحمض النووي. في هذه الحالة ، يتم "إعادة كتابة" تسلسل قاعدة الحمض النووي DNA ، الذي يحمل معلومات حول التركيب الأساسي للبروتين ، في شكل تسلسل قاعدة mRNA. بعد ذلك ، أثناء الترجمة على الريبوسومات ، تتم قراءة تسلسل النوكليوتيدات في الرنا المرسال عن طريق نقل الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي النقال). الأخير له طرف مستقبِل ، يتم إرفاق بقايا حمض أميني به ، ونهاية محول ، أو ثلاثي أنتيودون ، يتعرف على كودون mRNA المقابل. يحدث تفاعل الكودون مع الكودون المضاد على أساس الاقتران الأساسي التكميلي: Adenine (A) - Uracil (U)، Guanine (G) - Cytosine (C) ؛ في هذه الحالة ، يتم ترجمة تسلسل قاعدة mRNA إلى تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين المركب. تستخدم الكائنات الحية المختلفة أكواد مترادفة مختلفة لنفس الحمض الأميني بترددات مختلفة. تبدأ قراءة ترميز mRNA لسلسلة polypeptide (تبدأ) من كودون AUG المقابل للحمض الأميني ميثيونين. أقل شيوعًا في بدائيات النوى ، الكودونات البادئة هي GUG (فالين) ، UUG (ليوسين) ، AUU (آيسولوسين) ، في حقيقيات النوى - UUG (ليسين) ، AUA (آيزولوسين) ، ACG (ثريونين) ، CUG (ليوسين). هذا يحدد ما يسمى بالإطار ، أو المرحلة ، للقراءة أثناء الترجمة ، أي أن تسلسل النوكليوتيدات بأكمله للـ mRNA يُقرأ ثلاث مرات بثلاثة أضعاف من الحمض الريبي النووي النقال حتى يتم العثور على أي من أكواد النهاية الثلاثة ، والتي تسمى غالبًا أكواد الإيقاف ، على مرنا: UAA ، UAG ، UGA (جدول). تؤدي قراءة هذه التوائم الثلاثة إلى إكمال تركيب سلسلة البولي ببتيد.

توجد أكواد AUG و stop في بداية ونهاية مناطق mRNA التي تشفر polypeptides ، على التوالي.

الشيفرة الجينية شبه عالمية. هذا يعني أن هناك اختلافات صغيرة في معنى بعض الكودونات في كائنات مختلفة ، وهذا يتعلق أولاً وقبل كل شيء برموز إنهاء ، والتي يمكن أن تكون مهمة ؛ على سبيل المثال ، في الميتوكوندريا لبعض حقيقيات النوى وفي الميكوبلازما ، رموز UGA للتربتوفان. بالإضافة إلى ذلك ، في بعض mRNAs للبكتيريا وحقيقيات النوى ، يشفر UGA حمض أميني غير عادي ، سيلينوسيستين ، و UAG ، في إحدى البكتيريا البدائية ، يشفر البيروليزين.

هناك وجهة نظر تم بموجبها نشوء الشفرة الجينية بالصدفة (فرضية "الحالة المجمدة"). من الأرجح أنه قد تطور. ويدعم هذا الافتراض وجود نسخة أبسط وأقدم ، على ما يبدو ، من الشفرة ، والتي تُقرأ في الميتوكوندريا وفقًا لقاعدة "اثنان من ثلاثة" ، عندما تحدد اثنتان فقط من القواعد الثلاثة في المجموعة الثلاثية الأمينية. حامض.

مضاء: Crick F. N. a. حول. الطبيعة العامة للشفرة الجينية للبروتينات // الطبيعة. 1961 المجلد. 192 ؛ الكود الجيني. نيويورك ، 1966 ؛ Ichas M. الكود البيولوجي. م ، 1971 ؛ Inge-Vechtomov S.G. كيف تقرأ الشفرة الوراثية: القواعد والاستثناءات // العلوم الطبيعية الحديثة. M.، 2000. T. 8؛ راتنر ف.أ.الشفرة الجينية كنظام // مجلة سوروس التعليمية. 2000. V. 6. No. 3.

إس جي إنجي فيشتوموف.

الوظائف الجينية للحمض النوويتكمن في حقيقة أنه يوفر تخزين ونقل وتنفيذ المعلومات الوراثية ، وهي معلومات حول التركيب الأساسي للبروتينات (أي تكوين الأحماض الأمينية الخاصة بهم). تم التنبؤ بعلاقة الحمض النووي مع تخليق البروتين من قبل علماء الكيمياء الحيوية J. Beadle و E. Tatum في عام 1944 أثناء دراسة آلية الطفرات في فطر العفن Neurospora. يتم تسجيل المعلومات كسلسلة محددة من القواعد النيتروجينية في جزيء DNA باستخدام الشفرة الوراثية. يعتبر فك الشفرة الجينية أحد أعظم اكتشافات العلوم الطبيعية في القرن العشرين. وتتساوى في أهميتها مع اكتشاف الطاقة النووية في الفيزياء. يرتبط النجاح في هذا المجال باسم العالم الأمريكي م. ومع ذلك ، استغرقت عملية فك التشفير بأكملها أكثر من 10 سنوات ، وشارك فيها العديد من العلماء المشهورين من مختلف البلدان ، وليس فقط علماء الأحياء ، ولكن أيضًا علماء الفيزياء وعلماء الرياضيات وعلم التحكم الآلي. قدم G. Gamow مساهمة حاسمة في تطوير آلية تسجيل المعلومات الجينية ، وهو أول من اقترح أن الكودون يتكون من ثلاثة نيوكليوتيدات. من خلال الجهود المشتركة للعلماء ، تم إعطاء توصيف كامل للشفرة الجينية.

الأحرف الموجودة في الدائرة الداخلية هي القواعد الموجودة في الموضع الأول في الكودون ، أما الأحرف الموجودة في الدائرة الثانية فهي
القواعد في المركز الثاني والأحرف خارج الدائرة الثانية هي القواعد في المركز الثالث.
في الدائرة الأخيرة - أسماء مختصرة للأحماض الأمينية. NP - غير قطبي ،
P - مخلفات الأحماض الأمينية القطبية.

الخصائص الرئيسية للشفرة الجينية هي: الثلاثية, انحطاطو غير التداخل. الثلاثية تعني أن تسلسل ثلاث قواعد يحدد إدراج حمض أميني معين في جزيء البروتين (على سبيل المثال ، AUG - ميثيونين). انحطاط الكود هو أن نفس الحمض الأميني يمكن ترميزه بواسطة اثنين أو أكثر من الكودونات. يعني عدم التداخل أن نفس القاعدة لا يمكن أن تكون موجودة في كودونين متجاورين.

تم العثور على الرمز ليكون عالمي، بمعنى آخر. مبدأ تسجيل المعلومات الجينية هو نفسه في جميع الكائنات الحية.

ثلاثة توائم التي ترمز لنفس الحمض الأميني تسمى الأكواد المترادفة. عادة ما يكون لديهم نفس القواعد في الموضعين الأول والثاني ويختلفون فقط في القاعدة الثالثة. على سبيل المثال ، يتم ترميز إدراج الأحماض الأمينية ألانين في جزيء البروتين بواسطة رموز مترادفة في جزيء الحمض النووي الريبي - GCA ، GCC ، GCG ، GCY. يحتوي الكود الجيني على ثلاثة توائم غير مشفرة (أكواد غير منطقية - UAG ، UGA ، UAA) ، والتي تلعب دور إشارات التوقف في عملية قراءة المعلومات.

لقد ثبت أن عالمية الكود الجيني ليست مطلقة. مع الحفاظ على مبدأ الترميز المشترك لجميع الكائنات الحية وخصائص الكود ، في بعض الحالات لوحظ تغيير في الحمل الدلالي لكلمات الكود الفردية. سميت هذه الظاهرة بغموض الشيفرة الجينية ، وسميت الشيفرة نفسها شبه عالمي.

اقرأ أيضًا مقالات أخرى الموضوعات 6 "قواعد الوراثة الجزيئية":

اذهب لقراءة مواضيع أخرى من الكتاب "علم الوراثة والاختيار. النظرية. المهام. الإجابات".

الكود الجيني ، المعبر عنه في الكودونات ، هو نظام لترميز المعلومات حول بنية البروتينات المتأصلة في جميع الكائنات الحية على هذا الكوكب. استغرق فك تشفيرها عقدًا من الزمن ، لكن حقيقة وجودها ، فهم العلم لما يقرب من قرن. إن الشمولية ، الخصوصية ، أحادية الاتجاه ، وخاصة انحلال الكود الجيني لها أهمية بيولوجية كبيرة.

تاريخ الاكتشاف

لطالما كانت مشكلة الترميز مشكلة رئيسية في علم الأحياء. تحرك العلم ببطء إلى حد ما نحو بنية المصفوفة للشفرة الجينية. منذ اكتشاف J. Watson و F. Crick في عام 1953 للبنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي ، بدأت مرحلة تفكيك بنية الشفرة ذاتها ، مما دفع إلى الإيمان بعظمة الطبيعة. يتضمن التركيب الخطي للبروتينات ونفس بنية الحمض النووي وجود رمز جيني كمراسلات من نصين ، ولكن مكتوبًا باستخدام أبجديات مختلفة. وإذا كانت أبجدية البروتينات معروفة ، فإن علامات الحمض النووي أصبحت موضوع دراسة لعلماء الأحياء والفيزيائيين والرياضيين.

ليس من المنطقي وصف جميع الخطوات في حل هذا اللغز. تم إجراء تجربة مباشرة ، والتي أثبتت وأكدت وجود تطابق واضح ومتسق بين أكواد الحمض النووي والأحماض الأمينية البروتينية ، في عام 1964 بواسطة C. Janowski و S.Brenner. وبعد ذلك - فترة فك الشفرة الجينية في المختبر (في المختبر) باستخدام تقنيات تخليق البروتين في الهياكل الخالية من الخلايا.

تم نشر كود E. Coli الذي تم فك شفرته بالكامل في عام 1966 في ندوة لعلماء الأحياء في كولد سبرينغ هاربور (الولايات المتحدة الأمريكية). ثم تم اكتشاف التكرار (انحلال) الشفرة الوراثية. يتم شرح ما يعنيه هذا بكل بساطة.

يستمر فك التشفير

أصبح الحصول على بيانات حول فك شفرة الشفرة الوراثية أحد أهم الأحداث في القرن الماضي. اليوم ، يواصل العلم دراسة متعمقة لآليات الترميزات الجزيئية وخصائصها النظامية ووفرة العلامات التي تعبر عن خاصية انحطاط الشفرة الجينية. فرع منفصل من الدراسة هو ظهور وتطور نظام الترميز للمواد الوراثية. أعطى الدليل على العلاقة بين عديد النوكليوتيدات (DNA) وعديد الببتيدات (البروتينات) قوة دفع لتطوير البيولوجيا الجزيئية. وذلك بدوره يتعلق بالتكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية والاكتشافات في مجال التربية وإنتاج المحاصيل.

العقائد والقواعد

تتمثل العقيدة الرئيسية للبيولوجيا الجزيئية في أن المعلومات تنتقل من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي المرسال ، ثم من البروتين إلى البروتين. في الاتجاه المعاكس ، يمكن الانتقال من RNA إلى DNA ومن RNA إلى RNA آخر.

لكن المصفوفة أو الأساس هو دائمًا الحمض النووي. وجميع السمات الأساسية الأخرى لنقل المعلومات هي انعكاس لطبيعة المصفوفة للإرسال. وبالتحديد ، النقل عن طريق التوليف على مصفوفة الجزيئات الأخرى ، والتي ستصبح هيكلًا لاستنساخ المعلومات الوراثية.

الكود الجيني

يتم تنفيذ الترميز الخطي لبنية جزيئات البروتين باستخدام الكودونات التكميلية (ثلاثة توائم) من النيوكليوتيدات ، والتي لا يوجد منها سوى 4 (الأدين ، الجوانين ، السيتوزين ، الثايمين (اليوراسيل)) ، والتي تؤدي تلقائيًا إلى تكوين سلسلة أخرى من النيوكليوتيدات . نفس العدد والتكامل الكيميائي للنيوكليوتيدات هو الشرط الرئيسي لمثل هذا التوليف. ولكن أثناء تكوين جزيء البروتين ، لا يوجد تطابق بين كمية ونوعية المونومرات (نيوكليوتيدات الدنا هي أحماض أمينية بروتينية). هذا هو الكود الوراثي الطبيعي - نظام تسجيل في تسلسل النيوكليوتيدات (الكودونات) تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين.

يحتوي الكود الجيني على عدة خصائص:

• الثلاثية.
• غموض.
• توجيه.
• غير التداخل.
• التكرار (انحلال) الشفرة الوراثية.
• براعه.

دعونا نقدم وصفا موجزا ، مع التركيز على الأهمية البيولوجية.

الثلاثية والاستمرارية ووجود الكشافات

كل واحد من الأحماض الأمينية الـ 61 يتوافق مع ثلاثي دلالي واحد (ثلاثي) من النيوكليوتيدات. ثلاثة توائم لا تحمل معلومات عن الأحماض الأمينية وهي توقف الكودونات. كل نيوكليوتيد في السلسلة هو جزء من ثلاثي ، ولا يوجد بمفرده. في نهاية وبداية سلسلة النيوكليوتيدات المسؤولة عن بروتين واحد ، هناك كودونات توقف. يبدأون أو يوقفون الترجمة (تخليق جزيء البروتين).

الخصوصية وعدم التداخل وأحادي الاتجاه

كل كودون (ثلاثي) رموز لحمض أميني واحد فقط. كل ثلاثة توائم مستقل عن المجاور ولا يتداخل. يمكن تضمين نوكليوتيد واحد في ثلاثة توائم واحدة فقط في السلسلة. يسير تخليق البروتين دائمًا في اتجاه واحد فقط ، والذي يتم تنظيمه عن طريق إيقاف الكودونات.

التكرار في الشفرة الجينية

كل ثلاثة تربعات من النوكليوتيدات ترمز لحمض أميني واحد. هناك 64 نيوكليوتيد في المجموع ، منها 61 ترميزًا من الأحماض الأمينية (أكواد الإحساس) ، وثلاثة منها لا معنى لها ، أي أنها لا ترمز إلى حمض أميني (إيقاف الكودونات). يكمن التكرار (انحلال) الشفرة الجينية في حقيقة أنه يمكن إجراء استبدالات في كل ثلاثة توائم - جذرية (تؤدي إلى استبدال الأحماض الأمينية) ومحافظة (لا تغير فئة الأحماض الأمينية). من السهل حساب أنه إذا أمكن إجراء 9 استبدالات في ثلاثة توائم (المواضع 1 و 2 و 3) ، فيمكن استبدال كل نوكليوتيد بـ 4 - 1 = 3 خيارات أخرى ، فإن العدد الإجمالي لخيارات استبدال النوكليوتيدات الممكنة سيكون 61 بنسبة 9 = 549.

يتجلى انحطاط الكود الجيني في حقيقة أن 549 متغيرًا هي أكثر بكثير مما هو ضروري لتشفير المعلومات حول 21 من الأحماض الأمينية. في الوقت نفسه ، من بين 549 متغيرًا ، سيؤدي 23 استبدالًا إلى تكوين أكواد التوقف ، و 134 + 230 استبدالًا تحفظيًا ، و 162 استبدالًا جذريًا.

حكم الانحطاط والإقصاء

إذا كان لدى اثنين من الكودونات نوكليوتيدات متطابقة ، والباقي نيوكليوتيدات من نفس الفئة (بيورين أو بيريميدين) ، فإنهما يحملان معلومات عن نفس الحمض الأميني. هذه هي قاعدة الانحطاط أو التكرار في الشفرة الوراثية. استثناءان - AUA و UGA - الرمزان الأولان للميثيونين ، على الرغم من أنه يجب أن يكون isoleucine ، والثاني هو كودون الإيقاف ، على الرغم من أنه كان يجب أن يكون مشفرًا للتربتوفان.

معنى الانحطاط والعالمية

هاتان الخاصيتان للشفرة الجينية لهما أهمية بيولوجية أكبر. جميع الخصائص المذكورة أعلاه مميزة للمعلومات الوراثية لجميع أشكال الكائنات الحية على كوكبنا.

إن انحلال الشفرة الوراثية له قيمة تكيفية ، مثل التكرار المتعدد لرمز حمض أميني واحد. بالإضافة إلى ذلك ، هذا يعني انخفاضًا في أهمية (انحلال) النيوكليوتيد الثالث في الكودون. يقلل هذا الخيار الضرر الناتج عن الطفرات في الحمض النووي ، مما يؤدي إلى انتهاكات جسيمة في بنية البروتين. إنها آلية دفاع للكائنات الحية على هذا الكوكب.

التصنيف الجيني

1) حسب طبيعة التفاعل في الزوج الأليلي:

مهيمن (جين قادر على قمع مظهر الجين الأليلي المتنحي) ؛ - متنحي (جين ، يتم قمع مظهره بواسطة الجين السائد الأليلي).

2) التصنيف الوظيفي:

2) الكود الجيني- هذه مجموعات معينة من النيوكليوتيدات وتسلسل موقعها في جزيء الحمض النووي. هذه طريقة لترميز تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات باستخدام سلسلة من النيوكليوتيدات ، مميزة لجميع الكائنات الحية.

تُستخدم أربعة نيوكليوتيدات في الحمض النووي - الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثايمين (T) ، والتي يُشار إليها في الأدب الروسي بالحروف A و G و T و C. أبجدية الكود الجيني. في الحمض النووي الريبي ، يتم استخدام نفس النيوكليوتيدات ، باستثناء الثايمين ، الذي يتم استبداله بنكليوتيد مشابه - اليوراسيل ، والذي يُشار إليه بالحرف U (U في الأدب الروسي). في جزيئات DNA و RNA ، تصطف النيوكليوتيدات في سلاسل ، وبالتالي يتم الحصول على تسلسل من الحروف الجينية.

الكود الجيني

هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة المستخدمة في الطبيعة لبناء البروتينات. كل بروتين هو سلسلة أو عدة سلاسل من الأحماض الأمينية في تسلسل محدد بدقة. يحدد هذا التسلسل بنية البروتين ، وبالتالي جميع خصائصه البيولوجية. مجموعة الأحماض الأمينية عالمية أيضًا لجميع الكائنات الحية تقريبًا.

يتم تنفيذ المعلومات الجينية في الخلايا الحية (أي تخليق البروتين المشفر بواسطة الجين) باستخدام عمليتين مصفوفتين: النسخ (أي توليف mRNA على قالب DNA) وترجمة الشفرة الجينية إلى حمض أميني تسلسل (توليف سلسلة بولي ببتيد على قالب مرنا). تكفي ثلاثة نيوكليوتيدات متتالية لترميز 20 حمضًا أمينيًا ، بالإضافة إلى إشارة التوقف ، مما يعني نهاية تسلسل البروتين. مجموعة من ثلاثة نيوكليوتيدات تسمى ثلاثية. الاختصارات المقبولة المقابلة للأحماض الأمينية والكودونات موضحة في الشكل.

خصائص الكود الجيني

1. الثلاثية- الوحدة المهمة للشفرة هي مزيج من ثلاثة نيوكليوتيدات (ثلاثية ، أو كودون).

2. استمرارية- لا توجد علامات ترقيم بين الثلاثة توائم ، أي أن المعلومات تُقرأ باستمرار.

3. التكتم- لا يمكن أن يكون نفس النيوكليوتيدات جزءًا من اثنين أو أكثر من ثلاثة توائم في نفس الوقت.

4. النوعية- كودون معين يتوافق مع حمض أميني واحد فقط.

5. انحلال (فائض)يمكن أن تتوافق العديد من الكودونات مع نفس الحمض الأميني.

6. براعه - الكود الجينييعمل بنفس الطريقة في الكائنات الحية ذات المستويات المختلفة من التعقيد - من الفيروسات إلى البشر. (تعتمد طرق الهندسة الوراثية على هذا)

3) النسخ - عملية تخليق الحمض النووي الريبي باستخدام الحمض النووي كقالب يحدث في جميع الخلايا الحية. بمعنى آخر ، إنه نقل المعلومات الجينية من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي.

يتم تحفيز النسخ بواسطة إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي المعتمد على الحمض النووي. تستمر عملية تخليق الحمض النووي الريبي في الاتجاه من 5 "- إلى 3" - النهاية ، أي أن بوليميريز الحمض النووي الريبي يتحرك على طول سلسلة DNA النموذجية في الاتجاه 3 "-> 5"

يتكون النسخ من مراحل البدء والاستطالة والإنهاء.

بدء النسخ- عملية معقدة تعتمد على تسلسل الحمض النووي بالقرب من التسلسل المنسوخ (وفي حقيقيات النوى أيضًا على الأجزاء البعيدة من الجينوم - المعززات وكواتم الصوت) وعلى وجود أو عدم وجود عوامل بروتينية مختلفة.

استطالة- يستمر تفكيك تخليق DNA و RNA على طول سلسلة الترميز. يتم تنفيذه ، مثل تخليق الحمض النووي ، في الاتجاه 5-3

نهاية- بمجرد أن يصل البوليميراز إلى المُنهي ، يتم قطعه على الفور من الحمض النووي ، ويتم تدمير هجين DNA-RNA المحلي ويتم نقل الحمض النووي الريبي المركب حديثًا من النواة إلى السيتوبلازم ، حيث يتم الانتهاء من النسخ.

يعالج- مجموعة من التفاعلات التي تؤدي إلى تحويل المنتجات الأولية للنسخ والترجمة إلى جزيئات عاملة. تخضع العناصر لفك جزيئات السلائف غير النشطة وظيفيًا. حمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي الريبي ، الرنا الريباسي ، الرنا المرسال) وغيرها الكثير. البروتينات.

في عملية تخليق الإنزيمات التقويضية (ركائز الشق) ، تخضع بدائيات النوى لتخليق الإنزيمات. وهذا يعطي الخلية الفرصة للتكيف مع الظروف البيئية وتوفير الطاقة عن طريق إيقاف تخليق الإنزيم المقابل إذا اختفت الحاجة إليه.
للحث على تخليق الإنزيمات التقويضية ، الشروط التالية مطلوبة:

1. يتم تصنيع الإنزيم فقط عندما يكون انشقاق الركيزة المقابلة ضروريًا للخلية.
2. يجب أن يتجاوز تركيز الركيزة في الوسط مستوى معينًا قبل أن يتم تكوين الإنزيم المقابل.
من الأفضل دراسة آلية تنظيم التعبير الجيني في Escherichia coli باستخدام مثال lac operon ، الذي يتحكم في تخليق ثلاثة إنزيمات تقويضية تكسر اللاكتوز. إذا كان هناك الكثير من الجلوكوز وقليل من اللاكتوز في الخلية ، فإن المحفز يظل غير نشط ، ويوجد بروتين المثبط على المشغل - يتم حظر نسخ أوبرون اللاكتوز. عندما تنخفض كمية الجلوكوز في البيئة ، وبالتالي في الخلية ، ويزداد اللاكتوز ، تحدث الأحداث التالية: تزداد كمية الأدينوزين أحادي الفوسفات الحلقية ، وترتبط ببروتين CAP - هذا المركب ينشط المروج الذي به بوليميريز الحمض النووي الريبي يربط. في الوقت نفسه ، يرتبط اللاكتوز الزائد ببروتين الكابح ويطلق المشغل منه - مسار بوليميريز الحمض النووي الريبي مفتوحًا ، ويبدأ نسخ الجينات الهيكلية لأوبيرون اللاكتوز. يعمل اللاكتوز كمحفز لتخليق تلك الإنزيمات التي تفككه.

5) تنظيم التعبير الجيني في حقيقيات النوىهو أصعب بكثير. تقوم أنواع مختلفة من خلايا كائن حقيقي النواة متعدد الخلايا بتجميع عدد من البروتينات المتطابقة وفي نفس الوقت تختلف عن بعضها البعض في مجموعة من البروتينات الخاصة بخلايا من هذا النوع. يعتمد مستوى الإنتاج على نوع الخلايا ، وكذلك على مرحلة تطور الكائن الحي. يتم تنظيم التعبير الجيني على مستوى الخلية وعلى مستوى الكائن الحي. تنقسم جينات الخلايا حقيقية النواة إلى اثنينالأنواع الرئيسية: الأول يحدد عالمية الوظائف الخلوية ، والثاني يحدد (يحدد) الوظائف الخلوية المتخصصة. وظائف الجينات المجموعة الأولىيظهر في كل الخلايا. للقيام بوظائف متباينة ، يجب أن تعبر الخلايا المتخصصة عن مجموعة معينة من الجينات.
تحتوي الكروموسومات والجينات والأوبراونات في الخلايا حقيقية النواة على عدد من السمات الهيكلية والوظيفية ، وهو ما يفسر مدى تعقيد التعبير الجيني.
1. مشغلات الخلايا حقيقية النواة لها عدة جينات - منظمات ، والتي يمكن أن توجد على كروموسومات مختلفة.
2. يمكن أن تتركز الجينات الهيكلية التي تتحكم في تخليق إنزيمات عملية كيميائية حيوية واحدة في عدة عوامل لا تقع فقط في جزيء DNA واحد ، ولكن أيضًا في العديد من الجزيئات.
3. التسلسل المعقد لجزيء DNA. هناك أقسام إعلامية وغير إعلامية ، تسلسلات نيوكليوتيدات إعلامية فريدة ومتكررة بشكل متكرر.
4. تتكون الجينات حقيقية النواة من exons و introns ، ويرافق نضوج mRNA استئصال الإنترونات من نسخ RNA الأولية المقابلة (pro-i-RNA) ، أي الربط.
5. تعتمد عملية النسخ الجيني على حالة الكروماتين. يؤدي الضغط الموضعي للحمض النووي إلى منع تخليق الحمض النووي الريبي تمامًا.
6. لا يرتبط النسخ في الخلايا حقيقية النواة دائمًا بالترجمة. يمكن تخزين مرنا المركب كمعلومات لفترة طويلة. تحدث النسخ والترجمة في أجزاء مختلفة.
7. بعض الجينات حقيقية النواة لها توطين غير دائم (جينات قابلة للتغير أو ترانسبوزونات).
8. كشفت طرق البيولوجيا الجزيئية عن التأثير المثبط لبروتينات الهيستون على تخليق الرنا المرسال.
9. في عملية تطور وتمايز الأعضاء ، يعتمد نشاط الجينات على الهرمونات المنتشرة في الجسم والتي تسبب تفاعلات معينة في خلايا معينة. في الثدييات ، يكون عمل الهرمونات الجنسية مهمًا.
10. في حقيقيات النوى ، يتم التعبير عن 5-10٪ من الجينات في كل مرحلة من مراحل التكوُّن ، وينبغي حظر الباقي.

6) إصلاح المادة الوراثية

الإصلاح الجيني- عملية إزالة الضرر الجيني واستعادة الجهاز الوراثي الذي يحدث في خلايا الكائنات الحية تحت تأثير إنزيمات خاصة. تم اكتشاف قدرة الخلايا على إصلاح الضرر الجيني لأول مرة في عام 1949 من قبل عالم الوراثة الأمريكي A. Kelner. بصلح- وظيفة خاصة للخلايا ، والتي تتمثل في القدرة على تصحيح الضرر الكيميائي وكسر جزيئات الحمض النووي التالفة أثناء التخليق الحيوي الطبيعي للحمض النووي في الخلية أو نتيجة التعرض لعوامل فيزيائية أو كيميائية. يتم تنفيذه بواسطة أنظمة إنزيم خاصة للخلية. يرتبط عدد من الأمراض الوراثية (مثل جفاف الجلد المصطبغ) بأنظمة الإصلاح الضعيفة.

أنواع جبر الضرر:

الإصلاح المباشر هو أبسط طريقة للقضاء على الضرر في الحمض النووي ، والذي يتضمن عادةً إنزيمات معينة يمكنها بسرعة (عادةً في مرحلة واحدة) القضاء على الضرر المقابل ، واستعادة البنية الأصلية للنيوكليوتيدات. هذه هي الطريقة ، على سبيل المثال ، يعمل O6-methylguanine-DNA methyltransferase ، الذي يزيل مجموعة الميثيل من قاعدة نيتروجينية إلى واحدة من بقايا السيستين الخاصة بها.

المحاضرة 5 الكود الجيني

تعريف المفهوم

الكود الجيني هو نظام لتسجيل المعلومات حول تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات باستخدام تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي.

نظرًا لأن الحمض النووي لا يشارك بشكل مباشر في تخليق البروتين ، فإن الكود مكتوب بلغة RNA. يحتوي الحمض النووي الريبي على اليوراسيل بدلاً من الثايمين.

خصائص الكود الجيني

1. الثلاثية

يتم ترميز كل حمض أميني بواسطة سلسلة من 3 نيوكليوتيدات.

التعريف: الثلاثي أو الكودون هو سلسلة من ثلاثة نيوكليوتيدات ترمز لحمض أميني واحد.

لا يمكن أن يكون الرمز أحاديًا ، لأن 4 (عدد النيوكليوتيدات المختلفة في الحمض النووي) أقل من 20. لا يمكن أن يكون الرمز مزدوجًا ، لأن 16 (عدد التوليفات والتباديلات لـ 4 نيوكليوتيدات في 2) أقل من 20. يمكن أن يكون الرمز ثلاثيًا ، لأن 64 (عدد التوليفات والتبديلات من 4 إلى 3) أكبر من 20.

2. الانحطاط.

يتم ترميز جميع الأحماض الأمينية ، باستثناء الميثيونين والتربتوفان ، بأكثر من ثلاثة توائم:

2 AKs لثلاثة توائم = 2.

9 AKs × 2 ثلاثة توائم = 18.

1 AK 3 ثلاثة توائم = 3.

5 AKs × 4 ثلاثة توائم = 20.

3 AKs × 6 ثلاثة توائم = 18.

إجمالي 61 رمزًا ثلاثيًا لـ 20 حمضًا أمينيًا.

3. وجود علامات الترقيم بين الجينات.

تعريف:

الجين هو جزء من DNA يرمز لسلسلة عديد ببتيد واحدة أو جزيء واحد tPHK, صRNA أوsPHK.

الجيناتtPHK, rPHK, sPHKالبروتينات لا ترميز.

في نهاية كل جين يقوم بتشفير بولي ببتيد ، يوجد واحد على الأقل من ثلاثة توائم ترميز رموز إيقاف RNA ، أو إشارات التوقف. في mRNA تبدو كالتالي: UAA ، UAG ، UGA . يقومون بإنهاء (إنهاء) البث.

بشكل تقليدي ، ينطبق الكودون أيضًا على علامات الترقيمأغسطس - الأول بعد تسلسل الزعيم. (انظر المحاضرة 8) تؤدي وظيفة الحرف الكبير. في هذا الموقف ، يتم ترميز الفورميل ميثيونين (في بدائيات النوى).

4. التفرد.

كل ثلاثة توائم يشفر حمض أميني واحد فقط أو عبارة عن فاصل ترجمة.

الاستثناء هو الكودونأغسطس . في بدائيات النوى ، في الموضع الأول (حرف كبير) يرمز إلى فورميل ميثيونين ، وفي أي موضع آخر يرمز للميثيونين.

5. الضغط ، أو عدم وجود علامات الترقيم داخل الجين.
داخل الجين ، كل نوكليوتيد هو جزء من كودون مهم.

في عام 1961 ، أثبت سيمور بينزر وفرانسيس كريك تجريبياً أن الشفرة ثلاثية ومضغوطة.

جوهر التجربة: الطفرة "+" - إدخال نوكليوتيد واحد. "-" الطفرة - فقدان أحد النوكليوتيدات. طفرة واحدة "+" أو "-" في بداية الجين تفسد الجين بأكمله. كما أن الطفرة المزدوجة "+" أو "-" تفسد الجين بأكمله.

الطفرة الثلاثية "+" أو "-" في بداية الجين تفسد جزءًا فقط منه. الطفرة الرباعية "+" أو "-" تفسد الجين بأكمله مرة أخرى.

التجربة تثبت ذلك الشفرة ثلاثية ولا توجد علامات ترقيم داخل الجين.أجريت التجربة على جينين متجاورين من الملتهمة وأظهرت بالإضافة إلى ذلك ، وجود علامات الترقيم بين الجينات.

6. براعة.

الشفرة الجينية هي نفسها لجميع الكائنات الحية على الأرض.

في عام 1979 افتتح بوريل المثاليرمز الميتوكوندريا البشرية.

تعريف:

"المثالي" هو الكود الجيني الذي يتم فيه استيفاء قاعدة انحطاط الشفرة شبه المزدوجة: إذا تزامن النوكليوتيدات الأولين في مجموعتين من ثلاثة توائم ، والنيوكليوتيدات الثالثة تنتمي إلى نفس الفئة (كلاهما من البيورينات أو كلاهما بيريميدين) ، ثم هذه الثلاثة توائم ترميز نفس الحمض الأميني.

هناك استثناءان لهذه القاعدة في الكود العام. كلا الانحرافين عن الكود المثالي في الكوني مرتبطان بالنقاط الأساسية: بداية ونهاية تخليق البروتين: