15.1: הקוד הגנטי

Last updated
Save as PDF

Page ID: 205968

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מיומנויות לפיתוח

הסבר את "הדוגמה המרכזית" של סינתזת החלבון
תאר את הקוד הגנטי וכיצד רצף הנוקלאוטידים קובע את חומצת האמינו ואת רצף החלבונים

תהליך השעתוק הסלולרי מייצר RNA שליח (mRNA), עותק מולקולרי נייד של גן אחד או יותר עם אלפבית של A, C, G ו- uracil (U). תרגום של תבנית mRNA ממיר מידע גנטי מבוסס נוקלאוטיד למוצר חלבון. רצפי חלבון מורכבים מ-20 חומצות אמינו נפוצות; לכן, ניתן לומר שאלפבית החלבון מורכב מ-20 אותיות (איור\(\PageIndex{1}\)). כל חומצת אמינו מוגדרת על ידי רצף של שלושה נוקלאוטידים הנקרא קודון השלישייה. לחומצות אמינו שונות יש כימיה שונה (כגון חומצי מול בסיסי, או קוטבי ולא קוטבי) ואילוצים מבניים שונים. שונות ברצף חומצות האמינו מולידה שונות עצומה במבנה החלבון ובתפקודו.

מבנים של עשרים חומצות האמינו ניתנים. שש חומצות אמינו - גליצין, אלנין, ולין, לאוצין, מתיונין ואיזולוצין - אינן קוטביות ואליפטיות, כלומר אין להן טבעת. שש חומצות אמינו - סרין, תראונין, ציסטאין, פרולין, אספרגין וגלוטמט - הן קוטביות אך לא טעונות. שלוש חומצות אמינו - ליסין, ארגינין והיסטידין - טעונות באופן חיובי. שתי חומצות אמינו, גלוטמט ואספרטט, טעונות שלילית. שלוש חומצות אמינו - פנילאלנין, טירוסין וטריפטופן - אינן קוטביות וארומטיות. — איור\(\PageIndex{1}\): מוצגים מבנים של 20 חומצות האמינו המצויות בחלבונים. כל חומצת אמינו מורכבת מקבוצת אמינו (\(\text{NH}_3^+\)), קבוצת קרבוקסיל (COO ^-) ושרשרת צדדית (כחולה). השרשרת הצדדית עשויה להיות לא קוטבית, קוטבית או טעונה, כמו גם גדולה או קטנה. מגוון שרשראות הצד של חומצות אמינו הוא שמוליד את השונות המדהימה של מבנה ותפקוד החלבון.

הדוגמה המרכזית: DNA מקודד RNA; RNA מקודד חלבון

זרימת המידע הגנטי בתאים מ-DNA ל-mRNA לחלבון מתוארת על ידי הדוגמה המרכזית (איור\(\PageIndex{2}\)), הקובעת שגנים מציינים את רצף ה-mRNA, אשר בתורם מציינים את רצף החלבונים. פענוח מולקולה אחת לאחרת מבוצע על ידי חלבונים ספציפיים ו- RNA. מכיוון שהמידע המאוחסן ב- DNA הוא כה מרכזי בתפקוד התא, הגיוני אינטואיטיבי שהתא ייצור עותקי mRNA של מידע זה לסינתזת חלבונים, תוך שמירה על ה- DNA עצמו שלם ומוגן. העתקת ה- DNA ל- RNA היא פשוטה יחסית, כאשר נוקלאוטיד אחד מתווסף לגדיל ה- mRNA עבור כל נוקלאוטיד הנקרא בגדיל ה- DNA. התרגום לחלבון קצת יותר מורכב מכיוון ששלושה נוקלאוטידים mRNA תואמים לחומצת אמינו אחת ברצף הפוליפפטיד. עם זאת, התרגום לחלבון עדיין שיטתי וקולינארי, כך שנוקלאוטידים 1 עד 3 תואמים לחומצת אמינו 1, נוקלאוטידים 4 עד 6 תואמים לחומצת אמינו 2 וכן הלאה.

כדי ליצור חלבון, יש לתמלל מידע גנטי המקודד על ידי ה- DNA על מולקולת mRNA. לאחר מכן מעובד ה-RNA על ידי שחבור להסרת אקסונים ועל ידי הוספת כובע 5' וזנב פולי-A. לאחר מכן ריבוזום קורא את הרצף ב- mRNA, ומשתמש במידע זה כדי לחבר חומצות אמינו לחלבון. — איור\(\PageIndex{2}\): הוראות על DNA מועתקות על RNA שליח. ריבוזומים מסוגלים לקרוא את המידע הגנטי החרוט על גדיל של RNA שליח ולהשתמש במידע זה כדי לחבר חומצות אמינו יחד לחלבון.

הקוד הגנטי מנוון ואוניברסלי

בהתחשב במספרים השונים של "אותיות" ב"אלפבית "mRNA וחלבון, מדענים תיארו כי שילובים של נוקלאוטידים תואמים חומצות אמינו בודדות. כפילות נוקלאוטידים לא יספיקו כדי לציין כל חומצת אמינו מכיוון שיש רק 16 שילובים אפשריים של שני נוקלאוטידים (4 ²). לעומת זאת, ישנן 64 שלישיות נוקלאוטידים אפשריות (4 ³), שזה הרבה יותר ממספר חומצות האמינו. מדענים תיארו כי חומצות אמינו מקודדות על ידי שלישיות נוקלאוטידים וכי הקוד הגנטי מנוון. במילים אחרות, חומצת אמינו נתונה יכולה להיות מקודדת על ידי יותר משלישיית נוקלאוטיד אחת. זה אושר מאוחר יותר בניסוי; פרנסיס קריק וסידני ברנר השתמשו במוטגן הכימי פרופלבין כדי להכניס נוקלאוטידים אחד, שניים או שלושה לגן של וירוס. כאשר אחד או שניים נוקליאוטידים הוכנסו, סינתזת החלבון בוטלה לחלוטין. כאשר הוכנסו שלושה נוקלאוטידים, החלבון היה מסונתז ומתפקד. זה הוכיח ששלושה נוקלאוטידים מציינים כל חומצת אמינו. שלישיות נוקלאוטידים אלה נקראות קודונים. החדרת נוקלאוטיד אחד או שניים שינתה לחלוטין את מסגרת הקריאה של השלישייה, ובכך שינתה את המסר עבור כל חומצת אמינו שלאחר מכן (איור\(\PageIndex{4}\)). למרות שהחדרת שלושה נוקלאוטידים גרמה להכנסת חומצת אמינו נוספת במהלך התרגום, שלמות שאר החלבון נשמרה.

מדענים פתרו בקפידה את הקוד הגנטי על ידי תרגום mRNA סינתטי בַּמַבחֵנָה ורצף החלבונים שהם ציינו (איור). \(\PageIndex{3}\)

איור מציג את כל 64 הקודונים. שישים ושניים מקודדים לחומצות אמינו, ושלושה הם קודוני עצירה. — איור\(\PageIndex{3}\): איור זה מציג את הקוד הגנטי לתרגום כל שלישיית נוקלאוטיד ב- mRNA לחומצת אמינו או לאות סיום בחלבון המתהווה. (אשראי: שינוי עבודה על ידי NIH)

בנוסף להנחיית הוספת חומצת אמינו ספציפית לשרשרת פוליפפטיד, שלושה מתוך 64 הקודונים מפסיקים את סינתזת החלבון ומשחררים את הפוליפפטיד ממנגנון התרגום. שלישיות אלה נקראות קודונים שטויות, או קודוני עצירה. לקודון נוסף, AUG, יש גם פונקציה מיוחדת. בנוסף לציון חומצת האמינו מתיונין, היא משמשת גם כקודון ההתחלה ליזום תרגום. מסגרת הקריאה לתרגום נקבעת על ידי קודון ההתחלה של AUG ליד קצה 5' של ה- mRNA.

הקוד הגנטי הוא אוניברסלי. למעט כמה יוצאים מן הכלל, כמעט כל המינים משתמשים באותו קוד גנטי לסינתזת חלבונים. שימור קודונים פירושו שניתן להעביר mRNA מטוהר המקודד לחלבון הגלובין בסוסים לתא צבעונים, והצבעוני יסנתז גלובין של סוסים. העובדה שיש רק קוד גנטי אחד היא עדות חזקה לכך שכל החיים על פני כדור הארץ חולקים מקור משותף, במיוחד בהתחשב בכך שיש כ -10 ⁸⁴ שילובים אפשריים של 20 חומצות אמינו ו -64 קודונים משולשים.

קישור ללמידה

תמלל גן ותרגם אותו לחלבון באמצעות זיווג משלים והקוד הגנטי באתר זה.

האיור מציג מוטציה של שינוי מסגרת שבה מסגרת הקריאה משתנה על ידי מחיקה של שתי חומצות אמינו. — איור\(\PageIndex{4}\): מחיקת שני נוקלאוטידים משנה את מסגרת הקריאה של mRNA ומשנה את כל מסר החלבון, יוצרת חלבון לא מתפקד או מפסיקה לחלוטין את סינתזת החלבון.

ניוון הוא האמין כמנגנון סלולרי להפחתת ההשפעה השלילית של מוטציות אקראיות. קודונים המציינים את אותה חומצת אמינו נבדלים בדרך כלל רק בנוקלאוטיד אחד. בנוסף, חומצות אמינו בעלות שרשראות צד דומות מבחינה כימית מקודדות על ידי קודונים דומים. ניואנס זה של הקוד הגנטי מבטיח שמוטציה של החלפת נוקלאוטיד בודד עשויה לציין את אותה חומצת אמינו אך אין לה השפעה או לציין חומצת אמינו דומה, המונעת מהחלבון להפוך ללא תפקודי לחלוטין.

חיבור שיטה מדעית: למי יש יותר DNA: קיווי או תות?

בתצלומים נראה פרוסה דקה של פרי קיווי ירוק וקערת תותים. — איור\(\PageIndex{5}\): האם אתה חושב שלקיווי או לתות יש יותר DNA לפרי? (אשראי "קיווי": "קלב" /פליקר; קרדיט: "תות": אליסדייר מקדיארמיד)

שְׁאֵלָה: האם לקיווי ותות שדה בגודל זהה בערך (איור\(\PageIndex{5}\)) תהיה גם אותה כמות DNA בערך?

רקע כללי: גנים נישאים על כרומוזומים ועשויים מ-DNA. כל היונקים הם דיפלואידים, כלומר יש להם שני עותקים של כל כרומוזום. עם זאת, לא כל הצמחים הם דיפלואידים. התות המצוי הוא אוקטופלואיד (8 n) והקיווי התרבותי הוא הקספלואידי (6 n). חקרו את המספר הכולל של הכרומוזומים בתאים של כל אחד מהפירות הללו וחשבו כיצד זה עשוי להתאים לכמות ה-DNA בגרעיני התא של הפירות הללו. קרא על הטכניקה של בידוד DNA כדי להבין כיצד כל שלב בפרוטוקול הבידוד עוזר לשחרר ולזרז DNA.

השערה: השערה אם תוכל לזהות הבדל בכמות ה-DNA מתותים וקיווי בגודל דומה. איזה פרי לדעתך יניב יותר DNA?

בדוק את ההשערה שלך: בודד את ה- DNA מתות וקיווי בגודל דומה. בצע את הניסוי בשלושה עותקים לפחות עבור כל פרי.

הכן בקבוק חיץ מיצוי DNA מ 900 מ"ל מים, 50 מ"ל חומר ניקוי, ושתי כפיות מלח שולחן. מערבבים על ידי היפוך (מכסים אותו והופכים אותו הפוך כמה פעמים).
טוחנים תות וקיווי ביד בשקית ניילון, או בעזרת מרגמה ועלי, או בעזרת קערת מתכת וקצה מכשיר קהה. טוחנים לפחות שתי דקות לפרי.
מוסיפים 10 מ"ל של מאגר מיצוי ה-DNA לכל פרי, ומערבבים היטב לפחות דקה אחת.
הסר פסולת סלולרית על ידי סינון כל תערובת פירות דרך בד גבינה או בד נקבובי ולמשפך המונח במבחנה או במיכל מתאים.
יוצקים אתנול קר כקרח או איזופרופנול (אלכוהול משפשף) לתוך המבחנה. עליך להתבונן ב- DNA לבן ומושקע.
אסוף את ה- DNA מכל פרי על ידי סלילתו סביב מוטות זכוכית נפרדים.

רשום את התצפיות שלך: מכיוון שאינך מודד כמותית את נפח ה-DNA, אתה יכול לרשום עבור כל ניסוי אם שני הפירות ייצרו כמויות זהות או שונות של DNA כפי שנצפו בעין. אם פרי כזה או אחר הפיק יותר DNA באופן ניכר, רשום גם את זה. קבע אם התצפיות שלך תואמות כמה חתיכות מכל פרי.

נתח את הנתונים שלך: האם הבחנת בהבדל ברור בכמות ה-DNA המיוצר על ידי כל פרי? האם התוצאות שלך היו ניתנות לשחזור?

הסיקו מסקנה: בהתחשב במה שאתם יודעים על מספר הכרומוזומים בכל פרי, האם תוכלו להסיק שמספר הכרומוזומים מתאם בהכרח לכמות ה-DNA? האם אתה יכול לזהות חסרונות כלשהם בהליך זה? אם הייתה לך גישה למעבדה, איך תוכל לתקנן את ההשוואה שלך ולהפוך אותה לכמותית יותר?

סיכום

הקוד הגנטי מתייחס לאלפבית ה- DNA (A, T, C, G), אלפבית ה- RNA (A, U, C, G) ואלפבית הפוליפפטיד (20 חומצות אמינו). הדוגמה המרכזית מתארת את זרימת המידע הגנטי בתא מגנים ל- mRNA לחלבונים. גנים משמשים לייצור mRNA בתהליך התעתיק; mRNA משמש לסינתזה של חלבונים בתהליך התרגום. הקוד הגנטי מנוון מכיוון ש-64 קודונים משולשים ב-mRNA מציינים רק 20 חומצות אמינו ושלושה קודונים שטויות. כמעט כל מין על פני כדור הארץ משתמש באותו קוד גנטי.

רשימת מילים

דוגמה מרכזית: קובע כי גנים מציינים את רצף ה- mRNA, אשר בתורם מציינים את רצף החלבונים

קודון: שלושה נוקלאוטידים רצופים ב- mRNA המציינים החדרת חומצת אמינו או שחרור שרשרת פוליפפטיד במהלך התרגום

קולינארי: במונחים של RNA וחלבון, שלוש "יחידות" של RNA (נוקלאוטידים) מציינות "יחידה" אחת של חלבון (חומצת אמינו) באופן רצוף

ניוון: (של הקוד הגנטי) מתאר כי חומצת אמינו נתונה יכולה להיות מקודדת על ידי יותר משלישיית נוקלאוטיד אחת; הקוד מנוון, אך אינו מעורפל

קודון שטויות: אחד משלושת קודוני ה- mRNA המציין סיום תרגום

מסגרת קריאה: רצף של קודונים משולשים ב- mRNA המציינים חלבון מסוים; שינוי ריבוזום של נוקלאוטיד אחד או שניים לשני הכיוונים מבטל לחלוטין את הסינתזה של אותו חלבון