Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 18

Урок 1: Централна догма и генетичният код

Генетичният код

Генетичният код свързва групи нуклеотиди в иРНК до аминокиселини в протеин. Започващи кодони, спиращи кодони, разчитаща рамка.

Въведение

Пишеш ли тайни съобщения на приятелите си? Ако да, може би използваш код, за да държиш съобщението тайно. Например, може би заменяш буквите на думата с числа или символи, следвайки определена поредица правила. За да може приятелят ти да разбере съобщението, ще трябва да знае кода и да приложи същата поредица правила в обратен ред, за да го декодира.

Декодирането на съобщения също е ключова стъпка в генната експресия, при която информацията от един ген бива разчетена, за да се изгради протеин. В тази статия ще разгледаме по-отблизо генетичния код, който позволява ДНК и РНК последователности да бъдат "декодирани" в аминокиселините на един протеин.

Предварителна информация: Изграждане на протеин

Гените, които предоставят инструкции за протеините, се експресират в процес от две стъпки.

При транскрипцията ДНК последователността на един ген бива "пренаписана" в РНК. При еукариотите РНК трябва да премине през допълнителни стъпки на обработване, за да стане информационна РНК, или иРНК.
При транслацията последователността на нуклеотидите в иРНК се "транслира" в последователност от аминокиселини в един полипептид (протеинова верига).

Ако това е нова концепция за теб, може да искаш да научиш повече, като гледаш видеото на Сал за транскрипцията и транслацията.

Кодони

Клетките декодират иРНК-и, като разчитат техните нуклеотиди в групи по три, наречени кодони. Ето някои характеристики на кодоните:

Повечето кодони специфицират аминокиселина
Три "стоп" кодона отбелязват края на протеина
Един "старт" кодон, АУГ, отбелязва началото на протеина и също кодира аминокиселината метионин

При процеса транслация се разчитат кодоните в иРНК, като се започва с кодона за начало и продължава до достигане на стоп кодон. иРНК кодоните биват разчетени от 5' към 3' и специфицират реда на аминокиселините в един протеин от N-края (метионин) към С-края.

Двата края на една верига ДНК или РНК са различни един от друг. Тоест, една ДНК или РНК молекула има посока.

При 5' края на веригата фосфатната група на първия нуклеотид на веригата е открита. Фосфатната група е прикрепена към 5' въглеродния атом на захарния пръстен, затова се нарича 5' край.
На другия край, наречен 3' край, хидроксилната група на последния нуклеотид, добавен към веригата, е оголена. Хидроксилната група е прикрепена към 3' въглеродния атом на захарния пръстен, затова се нарича 3' край.

Много процеси, например ДНК репликацията и транскрипцията, могат да протекат само в една определена посока на ДНК или РНК веригата.

Можеш да научиш повече в статията за нуклеинови киселини.

Полипептидите (вериги от свързани аминокиселини) имат два различни края:

N-край с открита амино група
С-край с открита карбоксилна група

По време на транслация полипептидът се изгражда от N- към С-края. Можеш да научиш повече за N- и С-краищата в статията за протеини и аминокиселини.

Таблица на генетичния код

Пълната група връзки между кодоните и аминокиселините (или стоп сигналите) се нарича генетичен код. Генетичният код често бива обобщен в таблица.

Таблицата с кодони може да изглежда страшна в началото. За щастие е организирана по логичен начин и не е твърде трудна за използване, след като разбереш логиката.

За да видим как работи таблицата с кодони, нека разгледаме един пример. Предположи, че ни интересува кодонът ГАЦ и искаме да знаем коя аминокиселина специфицира.

Първо да погледнем лявата страна на таблицата. Оста вляво се отнася до първата буква на кодона, така че намираме С по лявата ос. Това ни показва (широкия) ред на таблицата, в който кодонът се намира.
След това гледаме горната част на таблицата. Горната ос се отнася до втората буква на кодона, така че намираме А по горната ос. Това ни показва колонката на таблицата, в която се намира търсеният кодон.

Редът и колоната от стъпки 1 и 2 се пресичат в едно-единствено квадратче в таблицата на кодоните, такова, което съдържа четири кодона. Често е по-лесно просто да погледнеш тези четири кодона и да видиш кой е този, който търсиш.

Ако искаш да използваш максимално структурата на таблицата, можеш да използваш третата ос (дясната страна на таблицата), която съответства на квадратчето на пресичане. Като намериш третия нуклеотид от кодона на тази ос, можеш да идентифицираш точния ред в квадратчето, в който се намира кодонът. Например, ако потърсим Г на оста в примера по-горе, намираме, че ЦАГ кодира аминокиселината глутамин (Gln).

Източник на изображението: "Генетичният код," от OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).

Забележи, че много аминокиселини са представени в таблицата от повече от един кодон. Например има шест различни начина да "запишем" левцин на езика на иРНК (виж дали можеш да намериш всички шест).

Важна характеристика на генетичния код е това, че той е универсален. Тоест, с малки изключения, почти всички видове (от бактериите до теб!) използват генетичния код, показан по-горе, за синтез на протеини.

Рамка за разчитане

За да стигнем надеждно от иРНК до протеин имаме нужда от още една концепция: тази за използването на рамка за разчитане. Рамката за разчитане определя как последователността на иРНК се разделя на кодони по време на транслация.

Това е доста абстрактна концепция, така че нека разгледаме един пример, за да я разберем по-добре. иРНК по-долу може да кодира три напълно различни протеина, в зависимост от рамката, съгласно която бива прочетена:

Как една клетка знае кой от тези протеини да направи? Началният кодон е ключовият сигнал. Понеже транслацията започва при старт кодона и продължава в последователни групи от по три, позицията на старт кодона гарантира, че иРНК ще бъде разчетена в правилната рамка (в случая по-горе, в Рамка 3).

Мутациите (промени в ДНК), които вмъкват или изтриват един или два нуклеотида, могат да променят рамката на разчитане, водейки до произвеждане на неправилен протеин "надолу по веригата" от мястото на мутацията:

Как бил открит генетичният код?

Историята за това как е бил открит генетичният код е доста готина и епична. Записали сме нашата версия в изскачащия прозорец по-долу, за да не те разсейваме, ако бързаш. Но ако имаш време, определено е интересно четиво.

Откриване на кода

За разчитане на генетичния код изследователите трябвало да открият как последователностите нуклеотиди в ДНК или РНК молекула може да кодират последователността на аминокиселините в един полипептид.

Защо това било сложен проблем? Да си представим много прост код, за да получим представа. В този код всеки нуклеотид в ДНК или РНК молекулата може да кодира една аминокиселина в протеин. Но кодът не може да проработи, понеже има

20

аминокиселини, които се срещат в протеините, а само

4

нуклеотидни бази в ДНК или РНК.

Тоест кодът трябвало да включва нещо по-сложно от съчетаване едно-към-едно на нуклеотидите и аминокиселините. Но какво?

Хипотезата за триплетите

В средата на 50-те години на 20-ти век физикът Джордж Гамов разширил тази линия на мислене, за да прогнозира, че генетичният код вероятно бил съставен от триплети нуклеотиди

^{1}

. Тоест, той предположил, че група от

3

нуклеотиди в даден ген може да кодира една аминокиселина в протеина.

Логиката на Гамов била, че дори дублетен код (

2

нуклеотида на аминокиселина) не би свършил работа, тъй като така се получават само

16

наредени групи нуклеотиди (

4^{2}

) – твърде малко за

20

-те стандартни аминокиселини, участващи в изграждането на протеините. Код, базиран на нуклеотидни триплети, обаче изглеждал обещаващ: той би осигурил

64

уникални последователности нуклеотиди (

4^{3}

), повече от достатъчно да покрият

20

-те аминокиселини.

Гамов имал някои други не толкова сполучвливи идеи за разчитането на кода (например той смятал, че триплетите се припокриват, което сега знаем, че не е вярно)

^{1}

. Но основното му прозрение – че триплетен код е "минимумът", който може да покрие аминокиселините – се доказало като вярно.

Има

16

уникални групи нуклеотиди, ако се използва дублетен код, и

64

уникални групи, ако се използва триплетен код. Защо това е така? Нека разгледаме отблизо изчисленията.

Дублетен код

Нека разгледаме първо дублетния код. В дублетен код подредена група от два нуклеотида кодира една аминокиселина. Колко такива групи от два нуклеотида можем да направим? Знаем, че има

4

различни възможности за всеки от

2

-та нуклеотида в дублета (А, Т, Ц и Г, ако използваме ДНК бази).

Ако поставим А в първата позиция, тогава всеки от четирите вида нуклеотиди може да заеме втората позиция, водейки до четири комбинации (АА, АТ, АГ, АЦ), които започват с А. Можем да повторим това за Т (ТТ, ТА, ТЦ, ТГ), Ц (ЦЦ, ЦТ, ЦА, ЦГ) и Г (ГГ, ГЦ, ГТ, ГА). Ако преброим всички тези възможности, откриваме, че има общо

16

възможни комбинации.

Може би използването на пряк математически път, за да се отговори на въпроса, ти се струва по-бързо и по-сигурно. Понеже знаем, че има 4 възможни нуклеотида за всяка позиция в дублета, и понеже редът на двете места има значение, можем да използваме правилата за изчисляване пермутации, за да пресметнем броя възможни групи, както следва:

(

4

възможности за първата позиция)

\cdot

(

4

възможности за втората позиция)

=

4 \cdot 4 = 16

възможни подредени групи

Триплетен код

Ами триплетният код? В този случай можем да използваме същото математическо разсъждение, но трябва да добавим още едно място. Сега има

3

позиции за запълване и всяка може да бъде заета от всяка от четирите бази (А, Т, Ц или Г). Тъй като има

4

възможни избора за всяка позиция, можем да умножим, както следва:

(

4

възможности за първата позиция)

\cdot

(

4

възможности за втората позиция)

\cdot

(

4

възможности за третата позиция)

=

4 \cdot 4 \cdot 4 = 64

възможни подредени групи

Съответствие на кодоните и аминокиселините

Триплетната хипотеза на Гамов изглеждала логична и била широко приета. Но тя все още не била доказана експериментално и изследователите все още не знаели кои триплети от нуклеотиди на кои аминокиселини съответстват.

Разчитането на генетичния код започнало през 1961 г. с работата на американския биохимик Маршъл Ниренберг. За първи път Ниренберг и колегите му успели да идентифицират специфични нуклеотидни триплети, които съответствали на определени аминокиселини. Техният успех се базирал на две експериментални иновации:

Начин за създаване на изкуствени иРНК молекули със специфични, известни последователности.
Система за транслиране на иРНК-и в полипептиди извън клетка ("независима от клетката" система). Системата на Ниренберг се състояла от цитоплазма от разкъсани клетки на E. coli, които съдържали всички материали, необходими за транслация.

Ниренберг първо синтезирал иРНК молекула, състояща се само от нуклеотида урацил (наречена поли-У). Когато добавил поли-У иРНК към независима от клетка система, той открил, че изградените полипептиди се състояли изключително от аминокиселината фенилаланин. Понеже единственият триплет в поли-У иРНК е УУУ, Ниренберг заключил, че УУУ може да кодира фенилаланин

^{2}

. Като използвал същия подход, той успял да покаже, че поли-Ц иРНК била транслирана в полипептиди, изградени изключително от аминокиселината пролин, което предполагало, че триплетът ЦЦЦ може да кодира пролин

^{2}

Други изследователи като биохимикът Хар Гобинд Корана в Университета в Уисконсин разширили експеримента на Ниренберг, като синтезирали изкуствени иРНК-и с по-сложни последователности. Например в един експеримент Корана генерирал поли-УЦ (УЦУЦУЦУЦУЦ...) иРНК и я добавил към независима от клетки система, подобна на тази на Ниренберг

^{3, 4}

Поли-УЦ иРНК после била транслирана в полипептиди с редуващ се модел от серинови и левцинови аминокиселини. Тези и други резултати потвърдили, че генетичният код се базира на триплети, или кодони. Днес знаем, че серинът се кодира от кодона УЦУ, докато левцинът се кодира от ЦУЦ.

До 1965 г. с помощта на независими от клетки системи и други техники Ниренберг, Корана и техните колеги разшифровали целия генетичен код. Тоест те идентифицирали аминокиселина или "стоп" сигнал, съответстващи на всеки един от възможните

64

нуклеотидни кодона. За техния принос Ниренберг и Корана (заедно с друг изследовател на генетичния код, Робърт Холей) получили Нобелова награда през 1968 г.

Винаги обичам да си представям колко готино би било да си един от хората, които са открили основния молекулярен код на живота. Въпреки че сега знаем кода, има много други биологични мистерии, които все още чакат да бъдат решени (вероятно от теб!).

Източници

Тази статия е модифицирана производна на "The genetic code," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.59.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Lorch, M. (2012, August 16). The most beautiful wrong ideas in science. In Chemistry blog. Retrieved from http://www.chemistry-blog.com/2012/08/16/the-most-beautiful-wrong-ideas-in-science/.
Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code – a personal account. TRENDS in Biochemical Sciences, 29(1), 46-54. http://dx.doi.org/10.1016/j.tibs.2003.11.009.
Gellene, Denise. (2011, November 14). H. Gobind Khorana, 89, Nobel-winning scientist, dies. The New York Times. Reterieved from http://www.nytimes.com/2011/11/14/us/h-gobind-khorana-1968-nobel-winner-for-rna-research-dies.html?_r=0.
H. Gobind Khorana – Nobel Lecture. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Mon. 6 May 2019. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1968/khorana/lecture/

Препратки:

Arnaud, M.B., Inglis, D.O., Skrzypek, M.S., Binkley, J., Shah, P., Wymore, F., Binkley, G., Miyasato, S.R., Simison, M., and Sherlock, G. (2013). CGD help: Non-standard genetic codes. In Candida genome database. Retrieved from http://www.candidagenome.org/help/code_tables.shtml.

Codon. (2014). In Scitable. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/definition/codon-155.

Gellene, Denise. (2011, November 14). H. Gobind Khorana, 89, Nobel-winning scientist, dies. The New York Times. Reterieved from http://www.nytimes.com/2011/11/14/us/h-gobind-khorana-1968-nobel-winner-for-rna-research-dies.html?_r=0.

Guevara Vasquez, F. (2013). Cracking the genetic code. In ACCESS - cryptography 2013. Retrieved from http://www.math.utah.edu/~fguevara/ACCESS2013/Cracking_the_Code.pdf.

Nirenberg/Khorana: Breaking the genetic code. (n.d.). Retrieved from http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/howscientiststhink/14-lab.pdf.

Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code – a personal account. TRENDS in Biochemical Sciences, 29(1), 46-54. http://dx.doi.org/10.1016/j.tibs.2003.11.009 0.

Nirenberg, M. and Leder, P. (1964). RNA codewords and protein synthesis. Science, 145(3639), 1399-1407. http://dx.doi.org/10.1126/science.145.3639.1399.

Nirenberg, M. W. and Matthaei, J. H. (1961). The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. PNAS, 47(10), 1588-1602. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.47.10.1588.

Office of NIH History. (n.d.). The poly-U experiment. In Deciphering the genetic code: Marshall Nirenberg. Retrieved from https://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/HS4_polyU.htm.

Openstax College, Biology. (2015, September 29). The genetic code. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:QEibhJMi@8/The-Genetic-Code.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2004). The genetic code. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 239-241). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). The genetic code. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 282-284). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The genetic code. In Campbell biology (10th ed., pp. 337-340). San Francisco, CA: Pearson.

Söll, D., Ohtsuka, E., Jones, D. S., Lohrmann, R., Hayatsu, H., Nishimura, S., and Khorana, H. G. (1965). Studies on polynucleotides, XLIX. Stimulation of the binding of aminoacyl-sRNA's to ribosomes by ribotrinucleotides and a survey of codon assignments for 20 amino acids. PNAS, 54(5), 1378-1385. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC219908/.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.