15.1: Kanuni ya Maumbile

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza “dogma kuu” ya awali ya protini
• Eleza kanuni za maumbile na jinsi mlolongo wa nucleotide unaelezea asidi ya amino na mlolongo wa protini

Mchakato wa mkononi wa transcription huzalisha RNA ya mjumbe (mRNA), nakala ya molekuli ya simu ya jeni moja au zaidi yenye alfabeti ya A, C, G, na uracil (U). Tafsiri ya mRNA template waongofu nucleotide makao maumbile habari katika bidhaa protini. Utaratibu wa protini unajumuisha asidi amino 20 zinazotokea kawaida; kwa hiyo, inaweza kusema kuwa alfabeti ya protini ina barua 20 (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kila asidi amino hufafanuliwa na mlolongo wa nucleotide tatu unaoitwa codon ya triplet. Asidi amino tofauti zina kemia tofauti (kama vile tindikali dhidi ya msingi, au polar na nonpolar) na vikwazo tofauti vya kimuundo. Tofauti katika mlolongo amino asidi inatoa kupanda kwa tofauti kubwa katika muundo wa protini na kazi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Miundo ya asidi 20 amino kupatikana katika protini ni umeonyesha. Kila asidi amino inajumuisha kundi la amino (\(\text{NH}_3^+\)), kikundi cha carboxyl (COO ^-), na mnyororo wa upande (bluu). Mlolongo wa upande unaweza kuwa nonpolar, polar, au kushtakiwa, pamoja na kubwa au ndogo. Ni aina ya minyororo ya upande wa amino asidi ambayo inatoa kupanda kwa tofauti ya ajabu ya muundo wa protini na kazi.

Dogma ya Kati: DNA inafunga RNA; RNA inafunga Protini

Mtiririko wa habari za maumbile katika seli kutoka DNA hadi mRNA kwa protini unaelezewa na Dogma ya Kati (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), ambayo inasema kwamba jeni hufafanua mlolongo wa mRNAs, ambayo kwa upande hufafanua mlolongo wa protini. Kuchochea kwa molekuli moja hadi nyingine kunafanywa na protini maalum na RNAs. Kwa sababu habari zilizohifadhiwa katika DNA ni muhimu sana kwa kazi za mkononi, inafanya hisia ya angavu kwamba kiini ingefanya mRNA nakala za habari hii kwa ajili ya awali ya protini, huku ikitunza DNA yenyewe imara na kulindwa. Nakala ya DNA kwa RNA ni kiasi moja kwa moja, na nucleotide moja inaongezwa kwenye kamba ya mRNA kwa kila nucleotide iliyosomwa katika kamba ya DNA. Tafsiri ya protini ni ngumu zaidi kwa sababu nucleotidi tatu za mRNA zinahusiana na asidi amino moja katika mlolongo wa polipeptidi. Hata hivyo, tafsiri ya protini bado ni ya utaratibu na colinear, kama vile nucleotides 1 hadi 3 yanahusiana na amino asidi 1, nucleotides 4 hadi 6 yanahusiana na amino asidi 2, na kadhalika.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Maelekezo juu ya DNA yameandikwa kwenye RNA ya mjumbe. Ribosomu zinaweza kusoma maelezo ya maumbile yaliyoandikwa kwenye kamba ya RNA ya mjumbe na kutumia habari hii ili kuunganisha amino asidi pamoja katika protini.

Kanuni ya Maumbile Je, imeharibika na Universal

Kutokana na idadi tofauti za “barua” katika mRNA na protini “alphabets,” wanasayansi walidharia kuwa mchanganyiko wa nucleotides ulifanana na asidi amino moja. Nucleotide doublets haitoshi kutaja kila asidi amino kwa sababu kuna 16 tu inawezekana mchanganyiko wa nucleotide mbili (4 ²). Kwa upande mwingine, kuna triplets 64 za nucleotide zinazowezekana (4 ³), ambazo ni zaidi ya idadi ya amino asidi. Wanasayansi nadharia kwamba amino asidi walikuwa encoded na triplets nucleotide na kwamba kanuni ya maumbile ilikuwa degenerate. Kwa maneno mengine, amino asidi iliyotolewa inaweza kuwa encoded na zaidi ya moja nucleotide triplet. Hii ilithibitishwa baadaye kwa majaribio; Francis Crick na Sydney Brenner walitumia proflavin ya mutagen ya kemikali kuingiza nucleotidi moja, mbili, au tatu katika jeni la virusi. Wakati nucleotides moja au mbili ziliingizwa, awali ya protini ilifutwa kabisa. Wakati nucleotides tatu ziliingizwa, protini ilitengenezwa na kazi. Hii ilionyesha kuwa nucleotides tatu zinafafanua kila asidi ya amino. Hizi triplets ya nucleotide huitwa codons. Kuingizwa kwa nucleotides moja au mbili kabisa kubadili sura ya kusoma mara tatu, na hivyo kubadilisha ujumbe kwa kila asidi amino inayofuata (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Ingawa kuingizwa kwa nucleotidi tatu kulisababisha asidi amino ya ziada kuingizwa wakati wa tafsiri, uadilifu wa protini iliyobaki ilihifadhiwa.

Wanasayansi walitatua kwa makini kanuni za maumbile kwa kutafsiri mRNAs za synthetic katika vitro na mpangilio wa protini walizoelezea (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Takwimu hii inaonyesha kanuni ya maumbile ya kutafsiri kila triplet ya nucleotide katika mRNA ndani ya asidi ya amino au ishara ya kukomesha katika protini ya asili. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NIH)

Mbali na kuwafundisha nyongeza ya asidi amino maalum kwa mnyororo polipeptidi, tatu kati ya 64 codons kusitisha protini awali na kutolewa polipeptidi kutoka mashine tafsiri. Hizi triplets huitwa codons zisizo na maana, au kuacha codons. Codon nyingine, Agosti, pia ina kazi maalum. Mbali na kubainisha methionini ya asidi amino, pia hutumika kama kodoni ya mwanzo kuanzisha tafsiri. Muundo wa kusoma wa tafsiri umewekwa na codon ya mwanzo wa Agosti karibu na mwisho wa 5' wa mRNA.

Kanuni ya maumbile ni ya kawaida. Kwa ubaguzi machache, karibu aina zote hutumia kanuni sawa ya maumbile ya awali ya protini. Uhifadhi wa codons ina maana kwamba mRNA iliyosafishwa encoding protini ya globin katika farasi inaweza kuhamishiwa kwenye kiini cha tulip, na tulip ingekuwa kuunganisha globin ya farasi. Kwamba kuna kanuni moja tu ya maumbile ni ushahidi wenye nguvu kwamba maisha yote duniani yanashiriki asili ya kawaida, hasa kwa kuzingatia kwamba kuna ^{takriban 10 84} mchanganyiko unaowezekana wa asidi amino 20 na codoni 64 tatu.

Unganisha na Kujifunza

Andika jeni na kutafsiri kwa protini kwa kutumia pairing ya ziada na kanuni za maumbile kwenye tovuti hii.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kuondolewa kwa nucleotides mbili hubadilisha sura ya kusoma ya mRNA na kubadilisha ujumbe mzima wa protini, kuunda protini isiyo na kazi au kuahirisha protini awali kabisa.

Uharibifu unaaminika kuwa utaratibu wa seli ili kupunguza athari mbaya ya mabadiliko ya random. Codons zinazotaja asidi amino sawa kawaida hutofautiana tu na nucleotidi moja. Aidha, amino asidi na minyororo ya upande sawa na kemikali ni encoded na codons sawa. Nuance hii ya kanuni za maumbile inahakikisha kwamba mabadiliko ya mbadala ya nucleotide moja yanaweza kutaja asidi amino sawa lakini hayana athari au kutaja asidi amino sawa, kuzuia protini kutolewa kabisa isiyo na kazi.

Kisayansi Method Connection: Ambayo ina zaidi DNA: Kiwi au Strawberry?

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Je, unafikiri kwamba kiwi au strawberry ina DNA zaidi kwa matunda? (mikopo “kiwi”: “Kelbv” /Flickr; mikopo: “strawberry”: Alisdair McDiarmid)

Swali: Je, kiwifruit na strawberry ambazo ni takriban ukubwa sawa (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) pia kuwa takriban kiasi sawa cha DNA?

Background: Jeni hufanywa kwenye chromosomes na hutengenezwa kwa DNA. Wamalia wote ni diploidi, maana wana nakala mbili za kila kromosomu. Hata hivyo, si mimea yote ni diploid. Strawberry ya kawaida ni octoploid (8 n) na kiwi iliyopandwa ni hexaploid (6 n). Tafiti jumla ya idadi ya kromosomu katika seli za kila moja ya matunda haya na ufikirie jinsi hii inaweza kuendana na kiasi cha DNA katika viini vya seli za matunda haya. Soma kuhusu mbinu ya kutengwa kwa DNA kuelewa jinsi kila hatua katika itifaki ya kutengwa husaidia kukomboa na kuharakisha DNA.

Hypothesis: Fikiria kama ungeweza kuchunguza tofauti katika wingi wa DNA kutoka jordgubbar sawa ukubwa na kiwis. Ni matunda gani unafikiri ingeweza kuzalisha DNA zaidi?

Mtihani hypothesis yako: Kutenga DNA kutoka strawberry na kiwi kwamba ni sawa ukubwa. Kufanya majaribio katika angalau triplicate kwa kila matunda.

1. Kuandaa chupa ya buffer ya uchimbaji wa DNA kutoka maji 900 ml, sabuni ya sahani 50 ml, na vijiko viwili vya chumvi la meza. Changanya na inversion (cap na kugeuka chini mara chache).
2. Kusaga strawberry na kiwifruit kwa mkono katika mfuko wa plastiki, au kutumia chokaa na pestle, au kwa bakuli la chuma na mwisho wa chombo cha uwazi. Kusaga kwa angalau dakika mbili kwa matunda.
3. Ongeza 10 ml ya buffer ya uchimbaji wa DNA kwa kila matunda, na uchanganya vizuri kwa angalau dakika moja.
4. Ondoa uchafu wa seli kwa kuchuja kila mchanganyiko wa matunda kupitia cheesecloth au kitambaa cha porous na ndani ya funnel iliyowekwa kwenye tube ya mtihani au chombo kinachofaa.
5. Mimina ethanol ya barafu baridi au isopropanol (kusugua pombe) kwenye tube ya mtihani. Unapaswa kuchunguza DNA nyeupe, iliyosababishwa.
6. Kukusanya DNA kutoka kila matunda kwa vilima ni kuzunguka fimbo kioo tofauti.

Rekodi uchunguzi wako: Kwa sababu wewe si quantitatively kupima kiasi DNA, unaweza kurekodi kwa kila kesi kama matunda mawili zinazozalishwa sawa au tofauti kiasi cha DNA kama aliona kwa jicho. Kama moja au matunda mengine zinazozalishwa noticeably DNA zaidi, rekodi hii pia. Kuamua kama uchunguzi wako ni sawa na vipande kadhaa vya kila matunda.

Kuchambua data yako: Je, umeona tofauti dhahiri katika kiasi cha DNA zinazozalishwa na kila matunda? Je matokeo yako reproducible?

Chora hitimisho: Kutokana na kile unachojua kuhusu idadi ya chromosomes katika kila matunda, unaweza kuhitimisha kwamba idadi ya chromosome inahusiana na kiasi cha DNA? Je, unaweza kutambua vikwazo vyovyote kwa utaratibu huu? Kama alikuwa na upatikanaji wa maabara, jinsi gani unaweza kusanifisha kulinganisha yako na kufanya hivyo kiasi zaidi?

Muhtasari

Kanuni ya maumbile inahusu alfabeti ya DNA (A, T, C, G), alfabeti ya RNA (A, U, C, G), na alfabeti ya polipeptidi (20 amino asidi). Dogma ya Kati inaelezea mtiririko wa habari za maumbile katika seli kutoka jeni hadi mRNA hadi protini. Jeni hutumiwa kutengeneza mRNA kwa mchakato wa transcription; mRNA hutumiwa kuunganisha protini kwa mchakato wa tafsiri. Kanuni ya maumbile imeharibika kwa sababu 64 codons tatu katika mRNA zinafafanua asidi 20 tu za amino na codons tatu zisizo na maana. Karibu kila spishi duniani hutumia msimbo huo wa maumbile.

faharasa

Dogma ya Kati

inasema kwamba jeni hufafanua mlolongo wa mRNAs, ambayo kwa upande hufafanua mlolongo wa protini

codon

nucleotides tatu mfululizo katika mRNA inayofafanua kuingizwa kwa asidi amino au kutolewa kwa mnyororo wa polipeptidi wakati wa tafsiri

ya kolinari

kwa upande wa RNA na protini, “vitengo” vitatu vya RNA (nucleotides) vinataja “kitengo” kimoja cha protini (amino asidi) kwa mtindo mfululizo

kuzorota

(ya kanuni ya maumbile) inaelezea kwamba amino asidi iliyotolewa inaweza encoded na zaidi ya moja ya nucleotide triplet; kanuni ni degenerate, lakini si utata

nonsense codon

moja ya tatu codons mRNA kwamba bayana kusitisha tafsiri

sura ya kusoma

mlolongo wa codons triplet katika mRNA kwamba kutaja protini fulani; mabadiliko ya ribosomu ya nucleotides moja au mbili katika mwelekeo wowote kabisa huondoa awali ya protini hiyo