Генетический код
-
Генетический код и его структура
- Генетический код — это набор правил для преобразования информации в белках.
- Трансляция осуществляется рибосомой, связывающей аминокислоты в порядке, определенном мРНК.
- Генетический код всех организмов схож и состоит из 64 элементов.
-
История открытия генетического кода
- Попытки понять, как кодируются белки, начались после открытия структуры ДНК в 1953 году.
- Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон выдвинули гипотезу о связи ДНК и белков.
- Джордж Гамов предложил схему синтеза белка из ДНК, назвав её «алмазным кодом».
- В 1954 году Гамов создал «Клуб по связыванию РНК» для изучения синтеза белка.
-
Кодоны и их расшифровка
- Эксперименты показали, что кодоны состоят из трех оснований ДНК.
- Маршалл Ниренберг и Дж. Генрих Маттеи определили природу кодона UUU.
- Северо Очоа и другие ученые определили кодоны AAA и CCC.
- Роберт У. Холли определил структуру тРНК.
- Ниренберг и Филип Ледер расшифровали 54 из 64 кодонов.
-
Расширенные генетические коды
- В 2001 году в белки добавили 40 неприродных аминокислот.
- H. Мураками и М. Сисидо расширили кодоны до четырех- и пятиосновных.
- Стивен А. Беннер сконструировал функциональный 65-й кодон.
- В 2015 году заменили все 20 899 остатков триптофана на тиенопиррол-аланин.
- В 2016 году создали первый стабильный полусинтетический организм.
- В 2017 году создали мышь с расширенным генетическим кодом.
- В 2019 году создали штамм бактерии Escherichia coli «Syn61» с полностью синтетическим геномом.
-
Особенности генетического кода
- Рамка считывания определяется начальным триплетом нуклеотидов.
- Стартовый кодон обычно AUG, но могут быть и другие.
- Стоп-кодоны сигнализируют о высвобождении полипептида из рибосомы.
-
Влияние мутаций
- Мутации могут влиять на фенотип организма.
- Миссенс-мутации изменяют свойства аминокислот.
- Нонсенс-мутации приводят к появлению стоп-кодона.
-
Мутации со сдвигом рамок
- Мутации, нарушающие последовательность рамок считывания, известны как мутации со сдвигом рамок.
- Эти мутации приводят к трансляции, отличной от исходной, и могут нарушать функцию белка.
- Мутации со сдвигом рамки редко передаются по наследству, так как могут привести к гибели организма.
-
Полезные мутации
- Некоторые мутации могут быть полезными, позволяя организму лучше противостоять стрессам или быстрее размножаться.
- Вирусы, использующие РНК, имеют высокую частоту мутаций, что может быть преимуществом.
- В больших популяциях бесполых организмов могут происходить многочисленные полезные мутации, что вызывает конкуренцию между ними.
-
Дегенерация генетического кода
- Дегенерация — это избыточность генетического кода, но без двусмысленности.
- Кодоны, кодирующие одну аминокислоту, могут отличаться в любом из трех положений.
- Ошибки в третьей позиции кодона вызывают молчаливую мутацию, не влияющую на белок.
-
Смещение в использовании кодонов
- Частота кодонов может варьироваться от вида к виду, что влияет на контроль трансляции.
- Кодон пролина у E. coli — CCG, у людей — наименее используемый.
-
Альтернативные генетические коды
- В некоторых белках стандартные стоп-кодоны заменяются нестандартными аминокислотами.
- Прокариота Acetohalobium arabaticum может расширить генетический код до 21 аминокислоты.
-
Вариации генетического кода
- Генетический код не универсален, существуют незначительные вариации.
- Вирусы могут адаптироваться к модификациям генетического кода хозяина.
- В генах человека стоп-кодоны могут использоваться для кодирования аминокислот.
-
Происхождение генетического кода
- Генетический код является ключевой частью истории жизни.
- Гипотеза о мире РНК связывает возникновение генетического кода с переходом от рибозимов к белкам.
- Распределение назначений кодонов в генетическом коде неслучайно, аминокислоты группируются по биосинтетическим путям.
-
Происхождение генетического кода
- Генетический код может быть пережитком раннего, более простого кода.
- Кодоны могут отражать стерические и химические свойства аминокислот.
- Аминокислоты со сходными свойствами имеют сходные кодоны.
-
Гипотезы происхождения генетического кода
- Случайное замораживание: код создан случайно, но стал «замороженным» из-за летальных последствий мутаций.
- Стереохимическое сродство: код основан на высоком сродстве между аминокислотами и кодонами.
- Оптимальность: код эволюционировал для минимизации ошибок.
-
Химические принципы и биосинтетическая экспансия
- Химические принципы управляют взаимодействием РНК с аминокислотами.
- Биосинтетическая экспансия: код вырос из более простого, включая новые аминокислоты.
-
Естественный отбор и информационные каналы
- Естественный отбор привел к распределению кодонов для минимизации мутаций.
- Информационные каналы моделируют процесс преобразования кода как подверженный ошибкам.
-
Теория игр и стоп-кодоны
- Теория игр предполагает, что первые полипептиды были короткими и выполняли неферментативную функцию.
- Стоп-кодоны могут прекращать трансляцию при ошибках сдвига кадра.
-
Дополнительные аспекты
- Стоп-кодоны могут быть «неназначаемыми» в некоторых моделях.
- Генетические коды: Таблицы генетических кодов.
- База данных об использовании кодонов.
- История расшифровки генетического кода.