کد ژنتیکی که در کدون ها بیان می شود، سیستمی برای رمزگذاری اطلاعات در مورد ساختار پروتئین ها است که ذاتی همه موجودات زنده روی این سیاره است. رمزگشایی آن یک دهه به طول انجامید، اما این واقعیت وجود دارد که علم تقریباً یک قرن درک کرد. جهانی بودن، اختصاصی بودن، یک طرفه بودن و به خصوص انحطاط کد ژنتیکی از اهمیت بیولوژیکی بالایی برخوردار است.
تاریخچه کشف
مشکل رمزگذاری اطلاعات ژنتیکی همیشه یک مشکل کلیدی در زیست شناسی بوده است. علم به آرامی به سمت ساختار ماتریسی کد ژنتیکی حرکت کرد. از زمان کشف ساختار مارپیچ دوگانه DNA توسط جی. واتسون و اف. کریک در سال 1953، مرحله کشف ساختار رمز آغاز شد که باعث ایمان به عظمت طبیعت شد. ساختار خطی پروتئین ها و همان ساختار DNA دلالت بر وجود یک کد ژنتیکی به عنوان متناظر دو متن دارد، اما با استفاده از الفبای مختلف نوشته شده است. و اگرالفبای پروتئین ها شناخته شد، سپس علائم DNA موضوع مطالعه زیست شناسان، فیزیکدانان و ریاضیدانان شد.
بی معنی است که تمام مراحل حل این معما را توضیح دهیم. یک آزمایش مستقیم، که ثابت کرد و تایید کرد که مطابقت واضح و ثابتی بین کدون‌های DNA و اسیدهای آمینه پروتئین وجود دارد، در سال 1964 توسط C. Janowski و S. Brenner انجام شد. و سپس - دوره رمزگشایی کد ژنتیکی در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) با استفاده از تکنیک های سنتز پروتئین در ساختارهای بدون سلول.
کد E. coli کاملاً رمزگشایی شده در سال 1966 در سمپوزیوم زیست شناسان در Cold Spring Harbor (ایالات متحده آمریکا) عمومی شد. سپس افزونگی (انحطاط) کد ژنتیکی کشف شد. معنی این کاملاً ساده توضیح داده شد.
رمزگشایی ادامه دارد
به دست آوردن اطلاعات در مورد رمزگشایی کد ارثی به یکی از مهم ترین رویدادهای قرن گذشته تبدیل شده است. امروزه، علم به مطالعه عمیق مکانیسم‌های رمزگذاری‌های مولکولی و ویژگی‌های سیستمیک آن و تعداد بیش از حد نشانه‌ها ادامه می‌دهد، که خاصیت انحطاط کد ژنتیکی را بیان می‌کند. یک شاخه جداگانه از مطالعه، ظهور و تکامل سیستم کدگذاری برای مواد ارثی است. شواهدی از رابطه بین پلی نوکلئوتیدها (DNA) و پلی پپتیدها (پروتئین ها) انگیزه ای برای توسعه زیست شناسی مولکولی ایجاد کرد. و این به نوبه خود به بیوتکنولوژی، مهندسی زیستی، اکتشافات در انتخاب و تولید محصول می‌رسد.
دگماها و قوانین
دگم اصلی زیست شناسی مولکولی - اطلاعات از DNA به اطلاعات منتقل می شودRNA، و سپس از آن به پروتئین. در جهت مخالف، انتقال از RNA به DNA و از RNA به RNA دیگر امکان پذیر است.
اما ماتریس یا اساس همیشه DNA است. و تمام ویژگی های اساسی دیگر انتقال اطلاعات بازتابی از این ماهیت ماتریسی انتقال است. یعنی انتقال از طریق سنتز بر روی ماتریس مولکول های دیگر که به ساختار بازتولید اطلاعات ارثی تبدیل می شود.
کد ژنتیک
کدگذاری خطی ساختار مولکول های پروتئین با استفاده از کدون های مکمل (سه گانه) نوکلئوتیدها انجام می شود که تنها 4 عدد از آنها (آدئین، گوانین، سیتوزین، تیمین (اوراسیل)) وجود دارد که به طور خود به خود منجر به تشکیل می شود. زنجیره دیگری از نوکلئوتیدها همین تعداد و مکمل شیمیایی نوکلئوتیدها شرط اصلی چنین سنتزی است. اما در طول تشکیل یک مولکول پروتئین، هیچ تناسبی بین کمیت و کیفیت مونومرها وجود ندارد (نوکلئوتیدهای DNA آمینو اسیدهای پروتئینی هستند). این کد ارثی طبیعی است - سیستمی برای ثبت توالی اسیدهای آمینه در یک پروتئین در توالی نوکلئوتیدها (کدون ها).
کد ژنتیکی چندین ویژگی دارد:
- سه گانه.
- بی نظیری.
- جهت گیری.
- غیر همپوشانی.
- زیادی (انحطاط) کد ژنتیکی.
- تطبیق پذیری.
بیایید با تمرکز بر اهمیت بیولوژیکی، توضیح مختصری ارائه دهیم.
سه گانه، تداوم و چراغ های توقف
هر یک از 61 اسید آمینه مربوط به یک سه گانه معنایی (سه گانه) نوکلئوتید است. سه سه قلو اطلاعاتی در مورد اسید آمینه ندارند و کدون های توقف هستند. هر نوکلئوتید در زنجیره بخشی از یک سه گانه است و به تنهایی وجود ندارد. در انتها و در ابتدای زنجیره نوکلئوتیدهای مسئول یک پروتئین، کدون های توقف وجود دارد. آنها ترجمه را شروع یا متوقف می کنند (سنتز یک مولکول پروتئین).
خاص، غیر همپوشانی و یک جهته
هر کدون (سه گانه) فقط یک اسید آمینه را کد می کند. هر سه قلو مستقل از همسایه است و همپوشانی ندارد. یک نوکلئوتید می تواند تنها در یک سه گانه در زنجیره گنجانده شود. سنتز پروتئین همیشه فقط در یک جهت است که توسط کدون های توقف تنظیم می شود.
اضافه شدن کد ژنتیکی
هر سه گانه نوکلئوتید یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند. در مجموع 64 نوکلئوتید وجود دارد که 61 مورد از آنها اسیدهای آمینه (کدون های حسی) را رمزگذاری می کنند و سه نوکلئوتید بی معنی هستند، یعنی یک اسید آمینه (کدون های توقف) را رمزگذاری نمی کنند. افزونگی (انحطاط) کد ژنتیکی در این واقعیت نهفته است که در هر سه گانه می توان جایگزینی ایجاد کرد - رادیکال (منجر به جایگزینی اسید آمینه) و محافظه کارانه (کلاس اسید آمینه را تغییر ندهید). به راحتی می توان محاسبه کرد که اگر بتوان 9 جایگزینی را در یک سه گانه انجام داد (موقعیت های 1، 2 و 3)، هر نوکلئوتید را می توان با 4 - 1=3 گزینه دیگر جایگزین کرد، آنگاه تعداد کل گزینه های جایگزینی نوکلئوتید ممکن 61 خواهد بود. x 9=549.
انحطاط کد ژنتیکی در این واقعیت آشکار می شود که 549 گونه بسیار بیشتر ازبرای رمزگذاری اطلاعات در مورد 21 اسید آمینه ضروری است. در عین حال، از 549 نوع، 23 جایگزینی منجر به تشکیل کدون های توقف می شود، 134 + 230 جایگزینی محافظه کارانه و 162 جایگزینی رادیکال هستند.
قاعده انحطاط و طرد
اگر دو کدون دو نوکلئوتید اول یکسان داشته باشند و بقیه نوکلئوتیدهای هم کلاس (پورین یا پیریمیدین) باشند، در این صورت اطلاعات مربوط به همان اسید آمینه را حمل می کنند. این قاعده انحطاط یا افزونگی کد ژنتیکی است. دو استثنا - AUA و UGA - اولی متیونین را رمزگذاری می کند، اگرچه باید ایزولوسین باشد، و دومی یک کدون توقف است، اگرچه باید تریپتوفان را رمزگذاری کند.
معنای انحطاط و جهان شمول
این دو ویژگی کد ژنتیکی هستند که بیشترین اهمیت بیولوژیکی را دارند. تمام خواص ذکر شده در بالا مشخصه اطلاعات ارثی همه اشکال موجودات زنده در سیاره ما هستند.
انحطاط کد ژنتیکی دارای ارزش تطبیقی است، مانند تکرار چندگانه کد یک اسید آمینه. علاوه بر این، این به معنای کاهش اهمیت (دژنراسیون) سومین نوکلئوتید در کدون است. این گزینه آسیب جهشی در DNA را به حداقل می رساند، که منجر به نقض فاحش در ساختار پروتئین می شود. این مکانیسم دفاعی موجودات زنده سیاره است.
