الشفرة الجينية ، التي يتم التعبير عنها في الكودونات ، هي نظام لترميز المعلومات حول بنية البروتينات المتأصلة في جميع الكائنات الحية على هذا الكوكب. استغرق فك تشفيرها عقدًا من الزمن ، لكن حقيقة وجودها ، فهم العلم لما يقرب من قرن. العالمية ، الخصوصية ، أحادية الاتجاه ، وخاصة انحلال الكود الجيني لها أهمية بيولوجية كبيرة.
تاريخ الاكتشاف
لطالما كانت مشكلة تشفير المعلومات الجينية مشكلة رئيسية في علم الأحياء. تحرك العلم ببطء إلى حد ما نحو بنية المصفوفة للشفرة الجينية. منذ اكتشاف J. Watson و F. Crick في عام 1953 للبنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي ، بدأت مرحلة تفكيك بنية الشفرة ذاتها ، مما دفع إلى الإيمان بعظمة الطبيعة. يتضمن الهيكل الخطي للبروتينات ونفس بنية الحمض النووي وجود رمز جيني كمراسلات من نصين ، ولكن مكتوبًا باستخدام أبجديات مختلفة. و إذاعرفت أبجدية البروتينات ، ثم أصبحت علامات الحمض النووي موضوع دراسة لعلماء الأحياء والفيزيائيين والرياضيين.
ليس من المنطقي وصف جميع الخطوات في حل هذا اللغز. تم إجراء تجربة مباشرة ، والتي أثبتت وأكدت أن هناك تطابقًا واضحًا ومتسقًا بين أكواد الحمض النووي والأحماض الأمينية البروتينية ، في عام 1964 بواسطة C. Janowski و S. Brenner. وبعد ذلك - فترة فك الشفرة الجينية في المختبر (في المختبر) باستخدام تقنيات تخليق البروتين في الهياكل الخالية من الخلايا.
تم نشر كود الإشريكية القولونية المفكوك بالكامل في عام 1966 في ندوة لعلماء الأحياء في كولد سبرينغ هاربور (الولايات المتحدة الأمريكية). ثم تم اكتشاف التكرار (انحلال) الشفرة الوراثية. تم شرح ما يعنيه هذا بكل بساطة.
يستمر فك التشفير
أصبح الحصول على بيانات حول فك الشفرة الوراثية أحد أهم الأحداث في القرن الماضي. اليوم ، يواصل العلم دراسة متعمقة لآليات الترميزات الجزيئية وخصائصها النظامية ووفرة العلامات ، والتي تعبر عن خاصية انحلال الشيفرة الجينية. فرع منفصل من الدراسة هو ظهور وتطور نظام الترميز للمواد الوراثية. أعطى الدليل على العلاقة بين عديد النوكليوتيدات (DNA) وعديد الببتيدات (البروتينات) قوة دفع لتطوير البيولوجيا الجزيئية. وهذا ، بدوره ، إلى التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية والاكتشافات في الاختيار وإنتاج المحاصيل.
العقائد والقواعد
العقيدة الرئيسية للبيولوجيا الجزيئية - يتم نقل المعلومات من الحمض النووي إلى المعلوماتRNA ، ومن ثم منه إلى البروتين. في الاتجاه المعاكس ، يمكن الانتقال من RNA إلى DNA ومن RNA إلى RNA آخر.
لكن المصفوفة أو الأساس هو دائمًا الحمض النووي. وجميع السمات الأساسية الأخرى لنقل المعلومات هي انعكاس لطبيعة المصفوفة للإرسال. وبالتحديد ، النقل عن طريق التوليف على مصفوفة الجزيئات الأخرى ، والذي سيصبح هيكل استنساخ المعلومات الوراثية.
الكود الجيني
يتم تنفيذ الترميز الخطي لبنية جزيئات البروتين باستخدام الكودونات التكميلية (ثلاثة توائم) من النيوكليوتيدات ، والتي لا يوجد منها سوى 4 (الأدين ، الجوانين ، السيتوزين ، الثايمين (اليوراسيل)) ، مما يؤدي تلقائيًا إلى تكوين لسلسلة أخرى من النيوكليوتيدات. نفس العدد والتكامل الكيميائي للنيوكليوتيدات هو الشرط الرئيسي لمثل هذا التوليف. ولكن أثناء تكوين جزيء البروتين ، لا يوجد تطابق بين كمية ونوعية المونومرات (نيوكليوتيدات الدنا هي أحماض أمينية بروتينية). هذا هو الكود الوراثي الطبيعي - نظام تسجيل في تسلسل النيوكليوتيدات (الكودونات) تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين.
للشفرة الجينية عدة خصائص:
- ثلاثية.
- التفرد
- الاتجاه.
- غير متداخلة.
- التكرار (انحلال) الشفرة الوراثية.
- براعة.
دعونا نعطي وصفا موجزا ، مع التركيز على الأهمية البيولوجية.
التثليث والاستمرارية وإشارات المرور
كل من الأحماض الأمينية الـ 61 يتوافق مع ثلاثي دلالي واحد (ثلاثي) من النيوكليوتيدات. ثلاثة توائم لا تحمل معلومات عن الأحماض الأمينية وهي توقف الكودونات. كل نوكليوتيد في السلسلة هو جزء من ثلاثي ، ولا يوجد بمفرده. في نهاية وبداية سلسلة النيوكليوتيدات المسؤولة عن بروتين واحد ، هناك كودونات توقف. يبدأون أو يوقفون الترجمة (تخليق جزيء البروتين).
محدد وغير متداخل وأحادي الاتجاه
رموز كل كودون (ثلاثي) لحمض أميني واحد فقط. كل ثلاثة توائم مستقل عن المجاور ولا يتداخل. يمكن تضمين نيوكليوتيد واحد في ثلاثة توائم واحدة فقط في السلسلة. يسير تخليق البروتين دائمًا في اتجاه واحد فقط ، والذي يتم تنظيمه عن طريق إيقاف الكودونات.
التكرار في الشفرة الجينية
كل ثلاثية من النيوكليوتيدات تشفر حمض أميني واحد. هناك 64 نيوكليوتيد إجمالاً ، منها 61 ترميزًا من الأحماض الأمينية (أكواد الإحساس) ، وثلاثة منها لا معنى لها ، أي أنها لا ترمز إلى حمض أميني (إيقاف الكودونات). يكمن التكرار (انحلال) الشفرة الجينية في حقيقة أنه يمكن إجراء استبدالات في كل ثلاثة توائم - جذرية (تؤدي إلى استبدال الأحماض الأمينية) ومحافظة (لا تغير فئة الأحماض الأمينية). من السهل حساب أنه إذا أمكن إجراء 9 استبدالات في ثلاثة توائم (المواضع 1 و 2 و 3) ، يمكن استبدال كل نوكليوتيد بـ 4-1=3 خيارات أخرى ، فإن العدد الإجمالي لخيارات استبدال النوكليوتيدات الممكنة سيكون 61 × 9=549.
يتجلى انحطاط الشفرة الجينية في حقيقة أن 549 متغيرًا أكثر بكثير منضروري لترميز المعلومات حول 21 من الأحماض الأمينية. في الوقت نفسه ، من بين 549 متغيرًا ، سيؤدي 23 استبدالًا إلى تكوين أكواد الإيقاف ، و 134 + 230 استبدالًا تحفظيًا ، و 162 استبدالًا جذريًا.
حكم الانحطاط والإقصاء
إذا كان اثنان من الكودونات تحتوي على نيوكليوتيدات متطابقة ، والباقي نيوكليوتيدات من نفس الفئة (بيورين أو بيريميدين) ، فإنها تحمل معلومات حول نفس الحمض الأميني. هذه هي قاعدة الانحطاط أو التكرار في الشفرة الجينية. استثناءان - AUA و UGA - الأول يشفر الميثيونين ، على الرغم من أنه يجب أن يكون isoleucine ، والثاني هو كودون الإيقاف ، على الرغم من أنه يجب أن يشفر التربتوفان.
معنى الانحطاط و العالمية
إن هاتين الخاصيتين للشفرة الجينية لهما أهمية بيولوجية أكبر. جميع الخصائص المذكورة أعلاه مميزة للمعلومات الوراثية لجميع أشكال الكائنات الحية على كوكبنا.
إن انحلال الشفرة الوراثية له قيمة تكيفية ، مثل التكرار المتعدد لرمز حمض أميني واحد. بالإضافة إلى ذلك ، هذا يعني انخفاضًا في أهمية (انحلال) النيوكليوتيدات الثالثة في الكودون. يقلل هذا الخيار الضرر الناتج عن الطفرات في الحمض النووي ، مما يؤدي إلى انتهاكات جسيمة في بنية البروتين. هذه هي آلية الدفاع عن الكائنات الحية على الكوكب.
