Mã di truyền: Đặc điểm và ngoại lệ của mã di truyền

Đọc bài viết này để tìm hiểu về Mã di truyền: Đặc điểm và ngoại lệ của mã di truyền

Mặc dù DNA chỉ được tạo thành từ bốn loại nucleotide, nhưng loại thứ hai có thể được định vị theo vô số cách. Do đó, một chuỗi DNA chỉ có mười độ dài nucleotide có thể có 4 ¹⁰ hoặc 1.048.576 loại sợi. Vì một phân tử DNA đơn có vài nghìn nucleotide, tính đặc hiệu vô hạn có thể được kết hợp trong DNA.

Hình ảnh lịch sự: wolfson.huji.ac.il/expression/vector/genetic_code.jpg

Có một mối liên hệ mật thiết giữa các gen và tổng hợp polypeptide hoặc enzyme. Trong thuật ngữ hiện đại, một gen đề cập đến một cistron của DNA. Một cistron được tạo thành từ một số lượng lớn nucleotide. Việc sắp xếp các nucleotide hoặc cơ sở nitơ của chúng được kết nối với sự tổng hợp protein bằng cách ảnh hưởng đến sự kết hợp của các axit amin trong chúng. Mối quan hệ giữa trình tự các axit amin trong chuỗi polypeptide và nucleotide của DNA hoặc mRNA được gọi là mã di truyền.

Có một vấn đề. DNA chỉ chứa bốn loại bazơ nitơ hoặc nucleotide trong khi số lượng axit amin là 20. Do đó, theo giả thuyết của George Gamow, một nhà vật lý, mã bộ ba (bao gồm ba bazơ liền kề cho một axit amin) đang hoạt động. Một số nghiên cứu đã góp phần giải mã mã di truyền vào những năm 1960, ví dụ, Francis HC Crick, Severo Ochoa, Marshal W. Nirenberg, Hargobind Khorana và JH Matthaei.

Severo Ochoa đã phát hiện ra polynucleotide phosphorylase có thể trùng hợp ribonucleotide để tạo ra RNA mà không cần bất kỳ khuôn mẫu nào. Hargobind Khorana đã phát triển kỹ thuật tổng hợp các phân tử RNA với sự kết hợp rõ ràng giữa các bazơ (homopolyme và copolyme).

Marshall Nirenberg đã tìm ra phương pháp tổng hợp protein trong các hệ thống không có tế bào. Năm 1968 giải thưởng Nobel đã được trao cho Holley, Nirenberg và Khorana vì công trình nghiên cứu về mã di truyền và công việc của nó. Các nghiên cứu khác nhau đã giúp giải mã mã di truyền bộ ba như sau:

1. Crick et al (1961) đã quan sát thấy rằng việc xóa hoặc thêm một hoặc hai cặp bazơ trong DNA của vi khuẩn T ₄ làm rối loạn chức năng DNA bình thường. Tuy nhiên, khi ba cặp cơ sở được thêm hoặc xóa thì nhiễu là tối thiểu.

2. Nirenberg và Matthaei (1961) lập luận rằng một mã duy nhất (một axit amin được chỉ định bởi một cơ sở nitơ) chỉ có thể chỉ định 4 axit (4 ¹ ), mã đôi chỉ 16 (4 ² ) trong khi mã bộ ba có thể chỉ định tối đa 64 axit amin (4 ³ ). Vì có 20 axit amin, mã ba (ba cơ sở nitơ cho một axit amin) có thể hoạt động.

3. Nirenberg (1961) đã điều chế các polyme của bốn nucleotide - UUUUUU .. (axit polyuridylic), CCCCCC, (axit Polycytidylic), AAAAAA (axit polyadenylic) và axit GGGGGG Ông quan sát thấy rằng poly-U kích thích sự hình thành polyphenylanaline, poly-C của polyproline trong khi poly-A giúp hình thành polylysine. Tuy nhiên, poly-G không hoạt động (nó hình thành cấu trúc ba sợi không hoạt động trong dịch thuật). Sau đó, GGG đã được tìm thấy để mã hóa axit amin glycine.

4. Khorana (1964) đã tổng hợp các chất đồng trùng hợp của các nucleotide như UGUGUGUG, và quan sát thấy rằng chúng kích thích sự hình thành các polypeptide có các axit amin tương tự xen kẽ là cysteine ​​- valine - cystein. Điều này chỉ có thể nếu ba nucleotide liền kề chỉ định một axit amin (ví dụ: UGU) và ba axit amin thứ hai khác (ví dụ: GUG).

5. Các codon bộ ba được xác nhận bằng cách gán mã hóa in vivo thông qua:

(i) nghiên cứu thay thế axit amin

(ii) đột biến dịch chuyển khung.

6. Dần dần tất cả các codon đã được xử lý (Bảng 6.4). Một số axit amin được chỉ định bởi nhiều hơn một codon. Các ngôn ngữ mã của DNA và mRNA là bổ sung. Do đó, hai codon cho phenylalanine là UUU và UUC trong trường hợp mRNA trong khi chúng là AAA và AAG cho DNA. Thông thường mã di truyền đại diện cho ngôn ngữ mRNA. Điều này là do các thành phần tế bào chất có thể đọc mã từ mRNA chứ không phải DNA có trong nhân.

Đặc điểm:

1. Mã bộ ba:

Ba cơ sở nitơ liền kề tạo thành một codon chỉ định vị trí của một axit amin trong polypeptide.

2. Tín hiệu bắt đầu:

Sự tổng hợp polypeptide được báo hiệu bởi hai codon khởi đầu - thường là codon AUG hoặc methionine và rafdly GUG hoặc valine codon. Chúng có chức năng kép.

3. Tín hiệu dừng:

Chấm dứt chuỗi polypeptide được báo hiệu bởi ba codon kết thúc - UAA (ocher), UAG (hổ phách) và UGA (opal). Họ không chỉ định bất kỳ axit amin và do đó cũng được gọi là codon vô nghĩa.

4. Mã phổ quát:

Mã di truyền được áp dụng phổ biến, tức là một codon chỉ định cùng loại axit amin từ virus sang cây hoặc người. Do đó mRNA từ ống dẫn trứng gà được giới thiệu trong Escherichia coli tạo ra ovalbumen trong vi khuẩn giống hệt như hình thành ở gà con.

5. Codons không rõ ràng:

Một codon chỉ định một axit amin chứ không phải bất kỳ loại nào khác.

6. Codons liên quan:

Các axit amin có tính chất tương tự có các codon liên quan, ví dụ, axit amin thơm tryptophan (UGG), phenylalanine (UUC, UUU), tyrosine (UAC, UAU).

7. Thương nhân:

Mã di truyền là liên tục và không có tạm dừng sau khi sinh ba. Nếu một nucleotide bị xóa hoặc thêm, toàn bộ mã di truyền sẽ đọc khác nhau. Do đó, một polypeptide có 50 axit amin phải được chỉ định bởi một chuỗi tuyến tính gồm 150 nucleotide. Nếu một nucleotide được thêm hoặc xóa ở giữa trình tự này, 25 axit amin đầu tiên của polypeptide sẽ giống nhau nhưng 25 axit amin tiếp theo sẽ hoàn toàn khác nhau.

8. Cực tính:

Mã di truyền có một cực. Mã của mRNA được đọc từ hướng 5 ′ -> 3..

9. Mã không chồng chéo:

Một cơ sở nitơ được chỉ định bởi một codon.

10. Sự suy thoái của mã:

Vì có 64 codon ba và chỉ có 20 axit amin, sự kết hợp của một số axit amin phải chịu ảnh hưởng của nhiều hơn một codon. Chỉ tryptophan (UGG) và methionine (AUG) được chỉ định bởi các codon đơn. Tất cả các axit amin khác được chỉ định bởi hai codon (ví dụ: phenylalanine - UUU, UUC) thành sáu (ví dụ, arginine-vá CGU, CGC, CGA, CGG AGA, AGG).

Loại thứ hai được gọi là codon suy biến hoặc dự phòng. Trong các codon thoái hóa, nhìn chung hai bazơ nitơ đầu tiên tương tự nhau trong khi cơ sở thứ ba thì khác. Vì cơ sở nitơ thứ ba không ảnh hưởng đến mã hóa, điều tương tự được gọi là vị trí lắc lư (giả thuyết Wobble; Crick, 1966).

11. Đại học:

Cả polypeptide và DNA hoặc mRNA đều có sự sắp xếp tuyến tính của các thành phần của chúng. Hơn nữa, trình tự các bazơ nucleotide trong DNA hoặc mRNA tương ứng với trình tự các axit amin trong polypeptide được sản xuất theo hướng dẫn trước đây. Sự thay đổi trình tự codon cũng tạo ra sự thay đổi tương tự trong chuỗi axit amin của polypeptide.

12. Chẵn lẻ Cistron-Polypeptide:

Một phần của DNA được gọi là cistron (= gen) chỉ định sự hình thành của một polypeptide cụ thể. Điều đó có nghĩa là hệ thống gen nên có nhiều cistron (= gen) như các loại polypeptide được tìm thấy trong sinh vật.

Ngoại lệ:

1. Codons khác nhau:

Trong Paramecium và một số codon chấm dứt ciliates khác mã UAA và UGA cho glutamine.

2. Các gen chồng chéo:

ф x 174 có 5375 nucleotide mã hóa cho 10 protein cần hơn 6000 bazơ. Ba trong số các gen E, В và К của nó trùng lặp với các gen khác. Trình tự nucleotide ở đầu gen E được chứa trong gen D. Tương tự như vậy, gen Gen trùng với gen A và C. Một điều kiện tương tự được tìm thấy trong SV-40.

3. Gen ti thể:

Mã AGG và AGA cho arginine nhưng hoạt động như tín hiệu dừng trong ty thể của con người. UGA, một codon kết thúc, tương ứng với tryptophan trong khi AUA (codon cho isoleucine) biểu thị methionine trong ty thể của con người.