รหัสพันธุกรรมที่แสดงเป็น codon เป็นระบบสำหรับเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตีนซึ่งมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลก การถอดรหัสใช้เวลากว่าทศวรรษ แต่ความจริงที่มันมีอยู่ วิทยาศาสตร์เข้าใจมาเกือบศตวรรษแล้ว ความเป็นสากล ความจำเพาะ ทิศทางเดียว และโดยเฉพาะอย่างยิ่งความเสื่อมของรหัสพันธุกรรมมีความสำคัญทางชีววิทยามาก
ประวัติการค้นพบ
ปัญหาการเข้ารหัสข้อมูลทางพันธุกรรมเป็นปัญหาสำคัญทางชีววิทยามาโดยตลอด วิทยาศาสตร์เคลื่อนตัวค่อนข้างช้าไปสู่โครงสร้างเมทริกซ์ของรหัสพันธุกรรม นับตั้งแต่การค้นพบโดยเจ. วัตสันและเอฟ. คริกในปี 1953 ของโครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอ ขั้นตอนการไขโครงสร้างของรหัสได้เริ่มต้นขึ้น ซึ่งกระตุ้นศรัทธาในความยิ่งใหญ่ของธรรมชาติ โครงสร้างเชิงเส้นของโปรตีนและโครงสร้างเดียวกันของ DNA บอกเป็นนัยว่ามีรหัสพันธุกรรมเป็นความสอดคล้องกันของสองข้อความ แต่เขียนโดยใช้ตัวอักษรต่างกัน และถ้าตัวอักษรของโปรตีนเป็นที่รู้จัก จากนั้นสัญญาณของ DNA ก็กลายเป็นหัวข้อของการศึกษาสำหรับนักชีววิทยา นักฟิสิกส์ และนักคณิตศาสตร์
มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะอธิบายขั้นตอนทั้งหมดในการไขปริศนานี้ การทดลองโดยตรงซึ่งพิสูจน์และยืนยันว่ามีความสอดคล้องกันอย่างชัดเจนและสม่ำเสมอระหว่างโคดอนดีเอ็นเอและกรดอะมิโนโปรตีน ดำเนินการในปี 1964 โดย C. Janowski และ S. Brenner และแล้ว - ช่วงเวลาของการถอดรหัสรหัสพันธุกรรม ในหลอดทดลอง (ในหลอดทดลอง) โดยใช้เทคนิคการสังเคราะห์โปรตีนในโครงสร้างที่ปราศจากเซลล์
รหัส E. coli ที่ถอดรหัสอย่างสมบูรณ์ได้ถูกเผยแพร่สู่สาธารณะในปี 1966 ที่งานสัมมนาของนักชีววิทยาใน Cold Spring Harbor (สหรัฐอเมริกา) จากนั้นจึงค้นพบความซ้ำซ้อน (ความเสื่อม) ของรหัสพันธุกรรม ความหมายนี้อธิบายได้ค่อนข้างง่าย
ถอดรหัสต่อ
การรับข้อมูลเกี่ยวกับการถอดรหัสรหัสพันธุกรรมได้กลายเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ผ่านมา ทุกวันนี้ วิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกของการเข้ารหัสระดับโมเลกุลและลักษณะทางระบบของมัน และสัญญาณที่มากเกินไป ซึ่งแสดงถึงคุณสมบัติของความเสื่อมของรหัสพันธุกรรม แยกสาขาการศึกษาคือการเกิดขึ้นและวิวัฒนาการของระบบการเข้ารหัสสำหรับวัสดุทางพันธุกรรม หลักฐานของความสัมพันธ์ระหว่างพอลินิวคลีโอไทด์ (DNA) และโพลีเปปไทด์ (โปรตีน) เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาทางอณูชีววิทยา และในทางกลับกัน เทคโนโลยีชีวภาพ วิศวกรรมชีวภาพ การค้นพบการคัดเลือกและการผลิตพืชผล
หลักปฏิบัติและกติกา
ความเชื่อหลักของอณูชีววิทยา - ข้อมูลถูกถ่ายโอนจาก DNA ไปยังข้อมูลRNA แล้วจากนั้นก็เปลี่ยนเป็นโปรตีน ในทิศทางตรงกันข้าม การส่งสัญญาณเป็นไปได้จาก RNA ไปยัง DNA และจาก RNA ไปยัง RNA อื่น
แต่เมทริกซ์หรือฐานคือ DNA เสมอ และคุณสมบัติพื้นฐานอื่นๆ ทั้งหมดของการส่งข้อมูลเป็นการสะท้อนธรรมชาติของเมทริกซ์ของการส่งข้อมูล กล่าวคือการถ่ายโอนโดยการสังเคราะห์บนเมทริกซ์ของโมเลกุลอื่น ๆ ซึ่งจะกลายเป็นโครงสร้างของการทำซ้ำของข้อมูลทางพันธุกรรม
รหัสพันธุกรรม
การเข้ารหัสเชิงเส้นของโครงสร้างของโมเลกุลโปรตีนดำเนินการโดยใช้โคดอนเสริม (แฝดสาม) ของนิวคลีโอไทด์ซึ่งมีเพียง 4 (อะดีน, กัวนีน, ไซโตซีน, ไทมีน (อูราซิล)) ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของธรรมชาติ ของนิวคลีโอไทด์อีกสายหนึ่ง จำนวนและความสมบูรณ์ทางเคมีเท่ากันของนิวคลีโอไทด์เป็นเงื่อนไขหลักสำหรับการสังเคราะห์ดังกล่าว แต่ในระหว่างการก่อตัวของโมเลกุลโปรตีนไม่มีความสอดคล้องกันระหว่างปริมาณและคุณภาพของโมโนเมอร์ (DNA นิวคลีโอไทด์คือกรดอะมิโนโปรตีน) นี่คือรหัสพันธุกรรมตามธรรมชาติ - ระบบบันทึกลำดับนิวคลีโอไทด์ (โคดอน) ลำดับกรดอะมิโนในโปรตีน
รหัสพันธุกรรมมีคุณสมบัติหลายประการ:
- สามเท่า.
- เอกลักษณ์.
- ปฐมนิเทศ
- ไม่ทับซ้อนกัน
- ความซ้ำซ้อน (ความเสื่อม) ของรหัสพันธุกรรม
- เก่งกาจ
ให้คำอธิบายสั้น ๆ โดยเน้นความสำคัญทางชีวภาพ
สามเท่า ความต่อเนื่อง และไฟหยุด
กรดอะมิโน 61 ตัวแต่ละตัวสอดคล้องกับสามความหมาย (สาม) ของนิวคลีโอไทด์ แฝดสามไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับกรดอะมิโนและเป็น codon หยุด นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวในสายโซ่เป็นส่วนหนึ่งของแฝดสาม และไม่มีอยู่ในตัวของมันเอง ในตอนท้ายและที่จุดเริ่มต้นของสายโซ่ของนิวคลีโอไทด์ที่รับผิดชอบโปรตีนหนึ่งตัว มีโคดอนหยุดอยู่ พวกเขาเริ่มหรือหยุดการแปล (การสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีน)
เฉพาะ ไม่ทับซ้อนกัน และทิศทางเดียว
โคดอน (แฝดสาม) แต่ละรหัสสำหรับกรดอะมิโนเพียงตัวเดียว แฝดสามแต่ละตัวเป็นอิสระจากเพื่อนบ้านและไม่ทับซ้อนกัน นิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวสามารถรวมอยู่ในแฝดสามตัวในสายโซ่เท่านั้น การสังเคราะห์โปรตีนมักจะไปในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งควบคุมโดย codon หยุด
ความซ้ำซ้อนของรหัสพันธุกรรม
นิวคลีโอไทด์สามตัวเข้ารหัสกรดอะมิโนหนึ่งตัว มีนิวคลีโอไทด์ทั้งหมด 64 ตัว ซึ่ง 61 ตัวเข้ารหัสกรดอะมิโน (เซนส์โคดอน) และสามตัวไม่มีความหมาย นั่นคือ พวกมันไม่ได้เข้ารหัสกรดอะมิโน (สต็อปโคดอน) ความซ้ำซ้อน (ความเสื่อม) ของรหัสพันธุกรรมอยู่ในความจริงที่ว่าในแต่ละการแทนที่ของแฝดสามสามารถเกิดขึ้นได้ - รุนแรง (นำไปสู่การแทนที่กรดอะมิโน) และอนุรักษ์นิยม (ไม่เปลี่ยนระดับกรดอะมิโน) คำนวณได้ง่ายว่าหากสามารถแทนที่ได้ 9 ตัวในแฝดสาม (ตำแหน่ง 1, 2 และ 3) แต่ละนิวคลีโอไทด์สามารถแทนที่ด้วยตัวเลือกอื่น 4 - 1=3 ตัวเลือก จำนวนตัวเลือกการแทนที่นิวคลีโอไทด์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเท่ากับ 61 x 9=549.
ความเสื่อมของรหัสพันธุกรรมปรากฏให้เห็นในความจริงที่ว่า 549 สายพันธุ์มีมากกว่าจำเป็นในการเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับกรดอะมิโน 21 ชนิด ในเวลาเดียวกัน จากรูปแบบทั้งหมด 549 แบบ การเปลี่ยนตัว 23 ตัวจะนำไปสู่การก่อตัวของสต็อปโคดอน 134 + 230 การเปลี่ยนตัวเป็นแบบอนุรักษ์นิยม และการแทนที่ 162 ตัวเป็นแบบรุนแรง
กฎแห่งความเสื่อมและการกีดกัน
ถ้าโคดอนสองโคดอนมีนิวคลีโอไทด์ที่เหมือนกันสองอัน และที่เหลือเป็นนิวคลีโอไทด์ของคลาสเดียวกัน (พิวรีนหรือไพริมิดีน) พวกมันจะมีข้อมูลเกี่ยวกับกรดอะมิโนตัวเดียวกัน นี่คือกฎแห่งความเสื่อมหรือความซ้ำซ้อนของรหัสพันธุกรรม ข้อยกเว้นสองประการ - AUA และ UGA - อันแรกเข้ารหัสเมไทโอนีน แม้ว่าควรเป็นไอโซลิวซีน และข้อที่สองคือโคดอนหยุด แม้ว่าควรเข้ารหัสทริปโตเฟน
ความหมายของความเสื่อมและความเป็นสากล
เป็นคุณสมบัติสองประการของรหัสพันธุกรรมที่มีความสำคัญทางชีววิทยามากที่สุด คุณสมบัติทั้งหมดที่ระบุไว้ข้างต้นเป็นลักษณะเฉพาะของข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบบนโลกของเรา
ความเสื่อมของรหัสพันธุกรรมมีค่าที่ปรับเปลี่ยนได้ เช่น การทำซ้ำรหัสของกรดอะมิโนหนึ่งตัว นอกจากนี้ นี่หมายถึงการลดความสำคัญ (ความเสื่อม) ของนิวคลีโอไทด์ที่สามในโคดอน ตัวเลือกนี้ช่วยลดความเสียหายจากการกลายพันธุ์ใน DNA ซึ่งจะนำไปสู่การละเมิดโครงสร้างโปรตีนอย่างร้ายแรง นี่คือกลไกการป้องกันของสิ่งมีชีวิตบนโลก
