Mã di truyền, được biểu thị bằng codon, là một hệ thống mã hóa thông tin về cấu trúc của protein, vốn có trong tất cả các sinh vật sống trên hành tinh. Việc giải mã nó mất một thập kỷ, nhưng thực tế là nó tồn tại, khoa học đã hiểu gần một thế kỷ. Tính phổ biến, tính đặc hiệu, tính đơn hướng và đặc biệt là tính thoái hóa của mã di truyền có tầm quan trọng sinh học rất lớn.
Lịch sử khám phá
Vấn đề mã hóa thông tin di truyền luôn là vấn đề then chốt trong sinh học. Khoa học tiến khá chậm về cấu trúc ma trận của mã di truyền. Kể từ khi J. Watson và F. Crick phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của DNA vào năm 1953, giai đoạn làm sáng tỏ cấu trúc của mã bắt đầu, điều này thúc đẩy niềm tin vào sự vĩ đại của tự nhiên. Cấu trúc tuyến tính của protein và cấu trúc giống nhau của DNA ngụ ý sự hiện diện của mã di truyền là sự tương ứng của hai văn bản, nhưng được viết bằng các bảng chữ cái khác nhau. Và nếubảng chữ cái của protein đã được biết đến, sau đó các dấu hiệu của DNA trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà sinh học, vật lý và toán học.
Không có ý nghĩa gì khi mô tả tất cả các bước giải câu đố này. Một thí nghiệm trực tiếp, chứng minh và xác nhận rằng có sự tương ứng rõ ràng và nhất quán giữa các codon DNA và các axit amin của protein, được thực hiện vào năm 1964 bởi C. Janowski và S. Brenner. Và sau đó - giai đoạn giải mã mã di truyền trong ống nghiệm (in vitro) bằng kỹ thuật tổng hợp protein trong cấu trúc không tế bào.
Mã E. coli được giải mã đầy đủ đã được công bố vào năm 1966 tại một hội nghị chuyên đề của các nhà sinh vật học ở Cold Spring Harbor (Hoa Kỳ). Sau đó, sự dư thừa (thoái hóa) của mã di truyền được phát hiện. Điều này có nghĩa là gì đã được giải thích khá đơn giản.
Giải mã tiếp tục
Thu thập dữ liệu về giải mã mật mã di truyền đã trở thành một trong những sự kiện quan trọng nhất của thế kỷ trước. Ngày nay, khoa học tiếp tục đi sâu nghiên cứu các cơ chế của mã hóa phân tử và các tính năng hệ thống của nó và sự dư thừa các dấu hiệu, biểu hiện tính chất thoái hóa của mã di truyền. Một nhánh nghiên cứu riêng biệt là sự xuất hiện và tiến hóa của hệ thống mã hóa vật liệu di truyền. Bằng chứng về mối quan hệ giữa polynucleotide (DNA) và polypeptide (protein) đã tạo động lực cho sự phát triển của sinh học phân tử. Và đến lượt nó, đến công nghệ sinh học, kỹ thuật sinh học, khám phá trong chọn lọc và sản xuất cây trồng.
Giáo điều và quy tắc
Giáo điều chính của sinh học phân tử - thông tin được chuyển từ DNA thành thông tinRNA, và sau đó từ nó sang protein. Theo chiều ngược lại, có thể truyền từ RNA sang DNA và từ RNA sang RNA khác.
Nhưng ma trận hay cơ sở luôn là DNA. Và tất cả các đặc điểm cơ bản khác của việc truyền thông tin là sự phản ánh bản chất ma trận này của quá trình truyền. Cụ thể, sự chuyển giao bằng cách tổng hợp trên ma trận của các phân tử khác, sẽ trở thành cấu trúc tái tạo thông tin di truyền.
Mã di truyền
Mã hóa tuyến tính cấu trúc của phân tử protein được thực hiện bằng cách sử dụng các codon bổ sung (bộ ba) của nucleotide, trong đó chỉ có 4 (adeine, guanine, cytosine, thymine (uracil)), tự phát dẫn đến sự hình thành của một chuỗi nucleotit khác. Số lượng giống nhau và sự bổ sung hóa học của các nucleotide là điều kiện chính để tổng hợp như vậy. Nhưng trong quá trình hình thành phân tử prôtêin, không có sự tương ứng giữa số lượng và chất lượng của các đơn phân (các nuclêôtit của ADN là các axit amin của prôtêin). Đây là mã di truyền tự nhiên - một hệ thống ghi lại trình tự nucleotide (codon) trình tự các axit amin trong protein.
Mã di truyền có một số thuộc tính:
- Nhân ba.
- Tính duy nhất.
- Định hướng.
- Không trùng lặp.
- Tính dự phòng (tính thoái hóa) của mã di truyền.
- Đa năng.
Hãy mô tả ngắn gọn, tập trung vào ý nghĩa sinh học.
Batity, liên tục và đèn dừng
Mỗi trong số 61 axit amin tương ứng với một bộ ba (bộ ba) nucleotit ngữ nghĩa. Ba bộ ba không mang thông tin về axit amin và là các codon dừng. Mỗi nucleotide trong chuỗi là một phần của bộ ba, và không tồn tại riêng lẻ. Ở phần cuối và phần đầu của chuỗi nucleotide chịu trách nhiệm về một protein, có các codon dừng. Chúng bắt đầu hoặc ngừng dịch mã (quá trình tổng hợp phân tử protein).
Cụ thể, không chồng chéo và một chiều
Mỗi codon (bộ ba) chỉ mã cho một axit amin. Mỗi bộ ba là độc lập với một bên cạnh và không chồng chéo. Một nucleotide chỉ có thể được bao gồm trong một bộ ba trong chuỗi. Quá trình tổng hợp protein luôn chỉ theo một hướng, được điều chỉnh bởi các codon dừng.
Dự phòng của mã di truyền
Mỗi bộ ba nucleotit mã hóa cho một axit amin. Có tổng cộng 64 nucleotide, trong đó 61 nucleotide mã hóa axit amin (các codon cảm giác), và ba loại là vô nghĩa, tức là chúng không mã hóa một axit amin (các codon dừng lại). Tính dư thừa (thoái hóa) của mã di truyền nằm ở chỗ trong mỗi lần thay thế bộ ba có thể được thực hiện - gốc (dẫn đến thay thế axit amin) và bảo toàn (không thay đổi loại axit amin). Dễ dàng tính được rằng nếu có thể thực hiện 9 phương án thay thế ở bộ ba (vị trí 1, 2 và 3), thay thế mỗi nuclêôtit bằng 4 - 1=3 phương án khác thì tổng số phương án thay thế nuclêôtit có thể có là 61 x 9=549.
Tính thoái hóa của mã di truyền được thể hiện ở chỗ 549 biến thể nhiều hơncần thiết để mã hóa thông tin về 21 axit amin. Đồng thời, trong số 549 biến thể, 23 thay thế sẽ dẫn đến hình thành các codon dừng, 134 + 230 thay thế là bảo thủ và 162 thay thế là triệt để.
Quy luật thoái hóa và loại trừ
Nếu hai codon có hai nucleotide đầu tiên giống nhau và phần còn lại là nucleotide của cùng một lớp (purine hoặc pyrimidine), thì chúng mang thông tin về cùng một axit amin. Đây là quy luật thoái hóa hoặc dư thừa của mã di truyền. Hai ngoại lệ - AUA và UGA - đầu tiên mã hóa methionine, mặc dù nó phải là isoleucine và thứ hai là codon dừng, mặc dù nó phải mã hóa tryptophan.
Ý nghĩa của sự thoái hóa và tính phổ biến
Chính hai đặc tính này của mã di truyền có ý nghĩa sinh học lớn nhất. Tất cả các đặc tính được liệt kê ở trên là đặc trưng của thông tin di truyền của tất cả các dạng sinh vật sống trên hành tinh của chúng ta.
Sự thoái hóa của mã di truyền có giá trị thích nghi, giống như sự nhân đôi nhiều lần của mã của một axit amin. Ngoài ra, điều này có nghĩa là giảm ý nghĩa (tính thoái hóa) của nucleotide thứ ba trong codon. Tùy chọn này giảm thiểu thiệt hại đột biến trong DNA, điều này sẽ dẫn đến vi phạm tổng thể trong cấu trúc protein. Đây là cơ chế bảo vệ của các sinh vật sống trên hành tinh.
