Genetický kód
Genetický kód je soubor pravidel kterými informacemi zakódovanými v genetickém materiálu je přeložený do bílkovin živými buňkami. Kód definuje mapování mezi tri-nucleotide sekvence, volal codons a kyseliny amino. Triplet codon po nucleic kyselém pořádku obvykle specifikuje jednu amino kyselinu. Protože drtivá většina genů být zakódován s přesně stejný kód, obzvláště tento kód je často odkazoval se na jako kanonický nebo standardní genetický kód, nebo jednoduše genetický kód, ačkoli ve skutečnosti tam je mnoho kódů varianty. Tak kanonický genetický kód není univerzální. Například, u lidí, proteosyntéza v mitochondria se spoléhá na genetický kód, který se liší od kanonického kódu.
To je důležité znát to ne celá genetická informace je uložena jako genetický kód. Všechny organismy DNA obsahuje regulační sekvence, intergenic segmenty, chromozómní strukturální oblasti, který může přispívat velmi phenotype ale provozovat používání zřetelné soubory pravidel, která smějí nebo smějí ne být jak přímý jako codon-k-amino kyselý vzor, který obvykle underlies genetický kód.
Nepřehlédněte: Tato stránka obsahuje strojový překlad textu z anglické encyklopedie Wikipedia. Pokud budou některé pasáže špatně srozumitelné, zkuste se podívat i na text v originále, který najdete pod odkazem Genetic code. Překlad byl vytvořen pomocí překladače Eurotran.
Rozluštění genetického kódu
Po struktuře DNA byl rozluštěn James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins a Rosalind Franklinová, vážná úsilí rozumět povaze kódování bílkovin začala. George Gamow postuloval, že tři-písmenkový kód musí být zaměstnán zakódovat 20 standardních amino kyselin používaných živými buňkami zakódovat bílkoviny (protože 3 je nejmenší celé číslo n takový ten 4n je přinejmenším 20).
Fakt, který codons přece sestával ze tří DNA základů byl nejprve demonstrován ve svalové křeči, Brenner et al. experiment. První objasnění codon bylo děláno Marshall Nirenberg a Heinrich J. Matthaei v roce 1961 u národních institutů zdraví. Oni používali buňku-umožnit systému překládat polytechniku-uracil RNA sekvence (nebo UUUUU... v biochemických termínech) a objevilo to polypeptide že oni syntetizovali sestával z jen amino kyselina phenylalanine. Oni proto dedukovali od této polytechniky-phenylalanine to codon UUU specifikoval amino-kyselina phenylalanine. Rozšiřovat tuto práci, Nirenberg a jeho spolupracovníci byli schopní stanovit nucleotide makeup každého codon. Aby určoval pořadí sekvence, trinucleotides byly zavázány ribozómům a radioactively označil aminoacyl-tRNA byly používány určovat, že který amino kyselinu odpovídal codon. Nirenberg skupina byla schopná stanovit pořadí 54 ven 64 codons.
Následující práce Har Gobind Khorana poznal zbytek kódu a krátce potom Robert W. Holley určoval strukturu převodu RNA, molekula adaptéru, která usnadní překlad. Tato práce byla založená na časnějších studiech Severo Ochoa, kdo přijal Nobelovu cenu v roce 1959 pro jeho práci na enzymology RNA syntézy. V roce 1968, Khorana, Holley a Nirenberg také přijal Nobelovu cenu ve fyziologii nebo léku na jejich práci.
Přenos informací přes genetický kód
Genom organismu je napsán v DNA, nebo v některých virech RNA. Porce genomu to kódy bílkoviny nebo RNA je odkazoval se na jako gen. Ty geny ten kód bílkovin být složen ze tri-nucleotide jednotky volaly codons, každé kódování pro jednu amino kyselinu. Každý nucleotide náhradník-jednotka sestává z fosfátu, cukr deoxyribose a jeden 4 nitrogenní nucleotide základy. Purine základy adenine () a guanin (G) být větší a sestávat ze dvou aromatických kruhů. Pyrimidine založí cytosin (C) a tymin (T) být menší a sestávat z jediného jednoho aromatického kruhu. V dvojitý-konfigurace spirály, dva prvky DNA jsou spojené ke každému jiný vodíkovými vazbami v uspořádání známém jako pár základu. Tyto svazky téměř vždy tvoří se mezi adenine základem na jednom prvku a tymine na jiném prvku a mezi základem cytosinu na jednom prvku a základem guaninu na jiný. Toto znamená to číslo a T zbytky budou stejné v dané dvojšroubovici jak vůli číslo G a C zbytky. V RNA, tymin (T) je nahrazený uracil (U), a deoxyribose je substituted ribózou.
Každá bílkovina-gen kódování je přepsán do molekuly šablony příbuzného polymeru RNA, známý jako posel RNA nebo mRNA. Toto, podle pořadí, je překládán na ribozóme do amino kyselého řetězu nebo polypeptide. Proces překladu vyžaduje převod RNAs přesný pro individuální amino kyseliny s kyselinami amino covalently spojenými s nimi, guanosin triphosphate jako zdroj energie a množství faktorů překladu. tRNAs mají anticodons doplňkové k codons v mRNA a mohou být “nabité” covalently s kyselinami amino u jejich 3 ' terminálové CCA konce. TRNAs jednotlivce jsou obviněny z přesných amino kyselin enzymy známými jako aminoacyl tRNA synthetases, který mít vysokou přesnost pro jak jejich příbuzné amino kyseliny tak tRNAs. Vysoká přesnost těchto enzymů je hlavní důvod proč věrnost překladu bílkoviny je udržována.
Jsou tam 4? = 64 různých codon kombinací možný s triplet codon tři nucleotides. Ve skutečnosti, všech 64 codons standardního genetického kódu je přiřazeno pro jeden amino kyseliny nebo brzdová světla během překladu. Jestliže, například, RNA sekvence, UUUAAACCC je zvažován a číst-rám začíná první U (konvencí, 5 ' k 3 '), jsou tam tři codons, jmenovitě, UUU, AAA a CCC, každý který specifikuje jednu amino kyselinu. Tato RNA sekvence bude přeložená do amino kyselé sekvence, tři amino kyseliny dlouho. Srovnání může být děláno s informatika, kde codon je ekvivalent slovo, který je standard “pořádný kus” pro data zacházení (jako jedna amino kyselina bílkoviny), a nucleotide pro kousek.
Standardní genetický kód je ukazován v následujících stolech. Stůl 1 ukáže, že co amino kyselinu každý 64 codons udá. Předložit 2 přehlídky jaké codons specifikují každého 20 standardních amino kyselin zapojených do překladu. Tito jsou voláni vpřed a zpáteční rychlost codon stoly, příslušně. Například, codon AAU reprezentuje amino kyselý asparagin, a UGU a UGC reprezentuje cystein (standard tři-označení dopisu, Asn a Cys, příslušně).
RNA codon stůl
Vyčnívající rysy
Reading rám sekvence
Si všimnout toho codon je definován parafovat nucleotide od kterého překlad začne. Například, řetězec GGGAAACCC, jestliže čtení z první pozice, obsahuje codons GGG, AAA a CCC; a, jestliže čtení z druhé pozice, to obsahuje codons GGA a AAC; jestliže četl spouštění ze třetí pozice, GAA a ACC. Částečné codons byly ignorované v tomto příkladě. Každý sled může tak být načítán tři rámce četby, každý který bude produkovat různou amino kyselinovou sekvenci (v daném příkladu, Gly-Lys-Pro, Gly-Asp, nebo Glu-Thr, příslušně). S dvojitý-pletl DNA je jich tam šest možný rámce četby, tři v přední orientaci na jednom prvku a tři zpáteční rychlost (na protějším prvku).
Aktuální rám ve kterém sled bílkoviny je překládán je definován codon začátku, obvykle první AUG codon po mRNA pořádku. Mutace, které naruší rám četby vloženími nebo vymazání non-násobek 3 nucleotide základy jsou znány jak frameshift mutace. Tyto mutace mohou poškodit funkci výsledné bílkoviny, jestliže to je tvořeno, a být tak vzácný v v vivo bílkovina-kódovací sekvence. Často takové misformed bílkoviny jsou zaměřeny pro proteolytic degradace. Navíc, rámcová posunová mutace je velmi pravděpodobně k příčině codon zastávky být čten, který zkrátí vytvoření bílkoviny (příklad [2]). Jeden důvod pro řídkost rámce-posunul mutace je zděděn je to, jestliže bytí bílkoviny překládalo je podstatný pro růst pod výběrovými tlaky tváře organismu, nepřítomnost funkční bílkoviny může způsobit lethality dříve, než organismus je životaschopný.
Začátek/codons zastávky
Začátky překladu se zahájením řetězu codon (codon začátku). Na rozdíl od codons zastávky, codon sám je nedostatečný začít proces. Blízké sekvence (takový jak zářit-Dalgarno sekvence v E.Coli) a zasvěcovací faktory jsou také požadované k překladu začátku. Nejvíce obyčejný začátkový codon je AUG, který také kódy metioninu. Tam být někdy jiná alternativa přimět codons (záviset na organismu), takový jako “UUG”, který normálně kódy leucine. Nicméně, když použitý jak začátek codon, tyto alternativní začátkové codons jsou obvykle přeložené jako metionin (bez ohledu na jejich normální význam).
Tři zastávkové codons byly křestní jména: UAG je jantar, UGA je opál (někdy také volal žlutohnědý), a UAA je okrový. “Amber” byla jmenována objeviteli Richard Epstein a Charles Steinberg po jejich příteli Harris Bernstein, jehož poslední jméno znamená “jantar” v němčině. Jiné dva zastávkové codons byly jmenovány ' okrový” a “opál” aby držel “jména barvy” téma. Codons zastávky jsou také nazývány codons ukončení a oni naznačí vydání vznikající polypeptide od ribozóma kvůli vázání faktorů vydání v nepřítomnosti příbuzného tRNAs s anticodons doplňkovým k těm zastávka signalizuje.
Úpadek genetického kódu
Genetický kód má nadbytečnost ale žádnou dvojznačnost (vidět codon stoly nahoře pro plnou korelaci). Například, ačkoli codons GAA a zvracet oba specifikují glutamic kyselinu (nadbytečnost), žádný je specifikuje nějakou jinou amino kyselinu (žádná dvojznačnost). Codons kódování jedna amino kyselina může lišit se v některém jejich tří pozic. Například kyselina amino glutamic kyselina je specifikována GAA a roubík codons (rozdíl na třetím svém místě), amino kyselý leucine je specifikován UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG codons (rozdíl v první nebo třetí pozice), zatímco amino kyselý serine je specifikován UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, AGC (rozdíl v první, sekunda nebo třetí pozice).
Pozice codon je řekl, aby byl čtyřnásobné zvrhlé místo jestliže některý nucleotide u tohoto pozice specifikuje stejnou amino kyselinu. Například, třetí pozice codons glycinu (GGA, GGG, GGC, GGU) je čtyřnásobné zvrhlé místo, protože všichni nucleotide náhrady na tomto místě jsou synonymní; tj., oni nemění amino kyselinu. Jen třetí pozice nějakého codons mohou být čtyřnásobný zvrhlík. Pozice codon je řekl, aby byl dvojité zvrhlé místo jestliže jediný dva čtyři možný nucleotides u této pozice specifikovat stejnou amino kyselinu. Například, třetí pozice glutamic kyseliny codons (GAA, roubík) je dvojitý zvrhlík místo. Ve dvojitých zvrhlých místech, ekvivalent nucleotides být vždy jeden dva purines (#inword-slash G) nebo dva pyrimidines (C/U), tak jediné transversional náhrady (purine k pyrimidine nebo pyrimidine k purine) ve dvojitém zvrhlíkovi místa jsou nonsynonymous. Pozice codon je řekl, aby byl non-místo zvrhlíka jestliže nějaká mutace u této pozice skončí amino kyselou náhradou. Je tam jen jeden trojnásobné zvrhlé místo kde měnící se tři čtyři nucleotides má žádný účinek na kyselinu amino, zatímco se mění čtvrtý možný nucleotide skončí amino kyselou náhradou. Toto je třetí pozice codon izoleucina: AUU, AUC, nebo AUA všichni zakódují izoleucin, ale AUG zakóduje metionin. Ve výpočtu tato pozice je často zpracovaná jako dvojité zvrhlé místo.
Jsou tam tři amino kyseliny kódované šesti různými codons: serine, leucine, arginine. Jen dvě amino kyseliny jsou specifikovány jediným codon; jeden z těchto je amino-kyselý metionin, specifikovaný codon AUG, který také specifikuje start překladu; jiný tryptophan, specifikovaný codon UGG. Úpadek genetického kódu je jaké účty pro existenci tichých mutací.
Výsledky úpadku protože triplet kód označí 20 amino kyselin a zastávka codon. Protože tam jsou čtyři základy, triplet codons jsou vyžadovány k produkci přinejmenším 21 různých kódů. Například, jestliže tam byly dva základy na codon, pak jen 16 amino kyselin mohlo být kódované pro (4? = 16). Protože přinejmenším 21 kódů je vyžadováno, pak 4? dává 64 možného codons, znamenat, že nějaký úpadek musí existovat.
Tyto vlastnosti genetického kódu dělají to více fault-tolerant pro poukážou mutace. Například, teoreticky, čtyřnásobné zvrhlé codons mohou tolerovat nějakou genovou mutaci u třetí pozice, ačkoli codon zaujatost použití omezí toto v praxi v mnoha organismech; dvojité zvrhlé codons mohou tolerovat jednoho ven tří možných genových mutací u třetí pozice. Od mutací přechodu (purine k purine nebo pyrimidine k mutacím pyrimidine) jsou více pravděpodobné než transversion (purine k pyrimidine nebo zlozvyku-versa) mutace, rovnocennost purines nebo to pyrimidines u dvojitých zvrhlých míst přidá další chybu-tolerance.
Praktický následek redundance je že některé chyby v genetickém kódu jen způsobí tichou mutaci nebo chybu, která by neovlivnila bílkovinu protože hydrophilicity nebo hydrophobicity je udržován rovnocennou náhradou amino kyselin; například, codon jeptišky (kde N = některý nucleotide) inklinuje ke kódu hydrofobních amino kyselin. NCN výnosy amino zbytky kyseliny, které jsou malé ve velikosti a umírněný v hydropathy; Nan zakóduje průměrnou velikost hydrofilní zbytky; UNN zakóduje zbytky, které nejsou hydrofilní. Tyto tendence mohou vyplývat z toho aminoacyl tRNA synthetases líčil takový codons podíl obyčejný rodový původ.
Vyrovnejte tak, jediné genové mutace mohou ještě způsobit dysfunkční bílkoviny. Například, mutovaný hemoglobin příčiny genu srp-nemoc buňky. V mutantovi hemoglobin hydrofilní glutamate (Glu) substituted hydrofobní valin (Val), který redukuje rozpustnost ?-globin. V tomto případě, toto příčiny mutace hemoglobin tvořit lineární polymery spojené hydrofobním vzájemným ovlivňováním mezi skupinami valina působit srp-deformace buňky erythrocytes. Srp-nemoc buňky je obecně ne způsobený de novo mutace. Poněkud to je vybráno pro v malarial oblasti (jistým způsobem podobný k thalassemia), jak heterozygotový lidé mají nějaký odpor k malarial Plasmodium parazit (heterozygote výhoda).
Tyto proměnné kódy amino kyselin jsou dovoleny protože upravených základů v prvním základě anticodon tRNA a základě-pár se tvořil je nazýván kolísacím základním párem. Upravené základy zahrnují inozin a Non-Watson-Crick U-G basepair.
Variace ke standardnímu genetickému kódu
Zatímco nepatrné variace na standardní kód byly předpovídané dříve, žádný byl objeven dokud ne 1979, když výzkumníci studovat lidské mitochondriální geny objevil, že oni použili alternativní kód. Mnoho nepatrných variant bylo objevené protože, včetně různé alternativy mitochondriální kódy, stejně jako malé varianty takový jak Mycoplasma překládat codon UGA jako tryptophan. V baktérie a archaea, GUG a UUG je obyčejný začátek codons. Nicméně, ve vzácných případech, jisté specifické bílkoviny mohou používat alternativní zahájení (začátek) codons ne normálně použitý tím druhem.
V jistých bílkovinách, nestandardní amino kyseliny jsou substituted pro standardní zastávku codons, záviset na sdružených signálových sekvencích v poslu RNA: UGA může kód selenocysteine a UAG může kód pyrrolysine jak diskutoval ve významných článkách. Selenocysteine je nyní viděn jako 21. amino kyselina a pyrrolysine je viděn jak 22.. Detailní popis změn v genetickém kódu může být nalezený u NCBI internetového místa.
Přesto tyto rozdíly, všechny znané kódy mají velké podobnosti ke každému jiný, a kódovací mechanismus je stejný pro všechny organismy: tři-codons základu, tRNA, ribozómy, číst kód ve stejném směru a překládat kód tři dopisy v době do sledů amino kyselin.
Teorie na původu genetického kódu
Přes variace, které existují, genetické kódy používané všemi známými formami života na Zemi jsou velmi podobné. Protože tam je mnoho možných genetických kódů, které jsou myšlenka mít podobnou pomůcku k jeden používal životem na Zemi, evoluční teorie navrhne, že genetický kód byl založen velmi brzy v minulosti života. Phylogenetic analýza převodu RNA navrhne, že molekuly tRNA vyvinuly se před současným souborem aminoacyl-synthetases tRNA.
Genetický kód není náhodný úkol codons amino kyseliny. Například, amino kyseliny, které sdílejí stejnou biosyntetickou stezku inklinují mít stejný první základ v jejich codons a amino kyseliny s podobnými fyzikálními vlastnostmi inklinují mít podobný codons.
Tam tři témata proběhnou mnoho teorií, které snaží se vysvětlit vývoj genetického kódu (a od této doby původ těchto vzorů).:
- Nedávné aptamer experimenty ukážou, že některé amino kyseliny mají výběrovou chemickou spřízněnost pro základnu triplets ten kód jich. Toto navrhne, že aktuální komplexní překlad zahrnutí mechanismu tRNA a sdružené enzymy mohou být pozdější vývoj, a to původně, sekvence bílkoviny byly přímo templated na sekvencích základu.
- Že standardní moderní genetický kód rostl od jednoduššího časnějšího kódu přes proces “biosyntetické expanze”. Tady nápad je ten pravěký život ' zjistil ' nové amino kyseliny (např., jako vedlejší produkty metabolismu) a pozdnější záda-včlenil některé tito do mašinerie genetického kódování. Ačkoli hodně nepřímé důkazy byly najité navrhnout, že méně různých amino kyselin bylo používáno v minulosti než dnes, přesné a detailní hypotézy o přesně které amino kyseliny zadaly kód v přesně jaká objednávka ukázala se daleko spornější.
- Ten přirozený výběr vedl k codon převodům genetického kódu to minimalizovat účinky mutací.
Další četba
- Griffiths, Anthony J.F.; Miller, Jeffrey H.; Suzuki, David T.; Lewontin, Richard C.; Gelbart, William M. (1999). Úvod ke genetické analýze (7. ed.). New York: W. H. Freeman a Co. ISBN 0-7167-3771-X
- Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. (2002). Molekulární biologie buňky (4. ed.). New York: Garland vydávání. ISBN 0-8153-3218-1
- Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. (1999). Molekulární buněčná biologie (4. ed.). New York: W. H. Freeman a Co. ISBN 0-7167-3706-X