ลำดับของนิวคลีโอไทด์ของ DNA (เช่น ยีน) หรือรหัสพันธุกรรม เป็นระบบสำหรับบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับลำดับของกรดอะมิโนในโปรตีน และจริงๆ แล้วเป็นรหัสที่รับประกันการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโปรตีน
ข้อมูลทางพันธุกรรมตามรหัสพันธุกรรม ณ จุดหนึ่งจะถูกเขียนใหม่จาก DNA จากเมทริกซ์ไปเป็นลำดับนิวคลีโอไทด์ของเธรด ข้อมูลอาร์เอ็นเอ (mRNA) จากนั้นจะกำหนดลำดับการประกอบกรดอะมิโนของโมเลกุลโปรตีนที่เกี่ยวข้อง
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่ารหัสพันธุกรรมนั้น สากลสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่มีอยู่บนโลก คุณสมบัติของความเป็นสากลของรหัสนี้ช่วยให้เราสามารถสรุปข้อสรุปทางอุดมการณ์ที่สำคัญเกี่ยวกับเอกภาพของการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด - โปรคาริโอตยูคาริโอตและไวรัส
ปัจจุบัน แฝดสามของกรดอะมิโนทั้ง 20 ตัวที่ประกอบเป็นโปรตีนธรรมชาติ 8 ชนิดได้ถูกถอดรหัสแล้ว รหัสพันธุกรรมถูกถอดรหัสในยุค 60 ศตวรรษที่ XX สิ่งนี้ทำโดยนักชีวเคมี X. อัลกุรอาน, เอ็ม. ไนเรนเบิร์กและ อาร์. ฮอลลี่. สำหรับการถอดรหัสรหัสพันธุกรรมและบทบาทในการสังเคราะห์โปรตีน นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1968
ส่วนประกอบโครงสร้างหลายอย่างของเซลล์มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ทางชีวภาพ: โมเลกุล RNA ต่างๆ ไรโบโซม และโมเลกุลของกรดอะมิโนต่างๆ ซึ่งเป็นที่มาของโมเลกุลโปรตีนโพลีเมอร์ที่ถูกสร้างขึ้น แม้ว่าแผนโครงสร้างโปรตีนจะถูกเข้ารหัสใน DNA แต่ตัวมันเองไม่ได้มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีน แต่ทำหน้าที่เท่านั้น เมทริกซ์สำหรับการสังเคราะห์ Messenger RNA (mRNA) ดังนั้นกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนจึงประกอบด้วยสองขั้นตอน: การสร้าง mRNAและ การประกอบโมเลกุลโปรตีนตามข้อมูลในโมเลกุล mRNA นี้.
การสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีนเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง มันดำเนินการด้วยความเร็วสูง: พันธะเปปไทด์ตั้งแต่ 50 ถึง 60,000 ถูกสร้างขึ้นใน 1 นาที การสังเคราะห์หนึ่งโมเลกุลมักใช้เวลา 3-4 วินาที โปรตีนมีอายุขัยเฉลี่ยประมาณสองวัน แม้ว่าโปรตีนแต่ละตัวจะไม่เสื่อมสลายเป็นเวลาหลายเดือนก็ตาม เป็นผลให้โปรตีนครึ่งหนึ่งในร่างกายมนุษย์ (รวมโปรตีนประมาณ 17 กิโลกรัม) ได้รับการต่ออายุในเวลาประมาณ 80 วัน วัสดุจากเว็บไซต์
กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพในทุกขั้นตอนเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของเอนไซม์หลายชนิดและการใช้พลังงานจำนวนมากอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ลำดับที่ชัดเจนของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่ การจัดเรียงเมทริกซ์ และการกระจายฟังก์ชันระหว่างส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องทั้งหมด นำไปสู่ข้อสรุปว่าการสังเคราะห์โปรตีนเป็นระบบโมเลกุลที่สำคัญสำหรับการทำปฏิกิริยาที่ซับซ้อน ซึ่งรับประกันการสร้างสารที่จำเป็นสำหรับชีวิต
การสังเคราะห์โปรตีนเป็นส่วนพลาสติกของการเผาผลาญของเซลล์ มีลักษณะเฉพาะคือเมทริกซ์พื้นฐานสำหรับการประกอบโมเลกุลโปรตีน การสังเคราะห์เกิดขึ้นในไรโบโซมโดยมีส่วนร่วมโดยตรงของ mRNA, tRNA, rRNA และโมโนเมอร์ - กรดอะมิโน การสังเคราะห์โปรตีนเกิดขึ้นภายใต้การควบคุมอย่างเข้มงวดของข้อมูลทางพันธุกรรมที่คัดลอกโดย mRNA จากรหัสพันธุกรรม DNA ซึ่งแตกต่างจากการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโมเลกุลโปรตีนถูกกำหนดโดยสองขั้นตอน: การถอดความ (การตัดออก) และการแปล (การส่ง)
ในเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด โปรตีนจะถูกสังเคราะห์โดยไรโบโซม . ไรโบโซมเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีโครงสร้างควอเทอร์นารีที่ไม่สมมาตรที่ซับซ้อน สร้างขึ้นจากกรดไรโบนิวคลีอิก (ไรโบโซมอล RNA) และโปรตีน ในการสังเคราะห์โปรตีน ไรโบโซมจะต้องประกอบด้วย:
1. โปรแกรมที่ระบุลำดับการสลับของกรดอะมิโนที่ตกค้างในสายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีน
2. วัสดุกรดอะมิโนที่ใช้สร้างโปรตีน
3. พลังงาน.
ไรโบโซมนั้นมีฟังก์ชันตัวเร่งปฏิกิริยา (เอนไซม์) ซึ่งรับผิดชอบในการสร้างพันธะเปปไทด์และด้วยเหตุนี้จึงเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของกรดอะมิโนที่ตกค้างในสายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีน
โปรแกรมที่กำหนดลำดับการสลับของกรดอะมิโนที่ตกค้างในสายโซ่พอลิเปปไทด์ของโปรตีนมาจากกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) เช่น จากจีโนมของเซลล์ แต่ละส่วนของ DNA ที่มีเกลียวคู่เรียกว่ายีนเป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ ของสายโซ่ RNA สายเดี่ยวที่อยู่บนนั้น สาย RNA ที่สังเคราะห์ขึ้นนั้นเป็นส่วนเสริมของหนึ่งในสาย DNA ดังนั้นจึงสร้างลำดับดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ของสาย DNA อื่น ๆ ในลำดับไรโบนิวคลีโอไทด์ได้อย่างแม่นยำ กระบวนการคัดลอกยีนดังกล่าวดำเนินการโดยเอนไซม์ RNA polymerase เรียกว่าการถอดรหัส RNA ในระหว่างและหลังการสังเคราะห์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซลล์ยูคาริโอต อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมหลายอย่างที่เรียกว่าการประมวลผล ซึ่งในระหว่างนั้นสามารถตัดลำดับนิวคลีโอไทด์บางส่วนออกไปได้ จากนั้น RNA ที่ได้จะเข้าสู่ไรโบโซมเป็นโปรแกรมที่กำหนดลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนสังเคราะห์ มันถูกเรียกว่า เมสเซนเจอร์อาร์เอ็นเอ (mRNA) ดังนั้นจึงเป็นการถอดรหัสยีนและการก่อตัวของ mRNA ที่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการไหลของข้อมูลจาก DNA ไปยังไรโบโซม
วัสดุเริ่มต้นที่ใช้สร้างโปรตีนคือกรดอะมิโน อย่างไรก็ตาม ไรโบโซมไม่ได้ใช้กรดอะมิโนอิสระ เพื่อทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับไรโบโซม กรดอะมิโนจะต้องถูกกระตุ้นโดยการแยก ATP ควบคู่กัน และยอมรับ (ติดโควาเลนต์) โดยโมเลกุล RNA พิเศษที่เรียกว่า ทรานสเฟอร์ หรือ ทรานสเฟอร์ RNA (tRNA) โดยใช้เอนไซม์อะมิโนเอซิล-tRNA-สังเคราะห์ อะมิโนเอซิล-tRNA ที่ได้จะเข้าสู่ไรโบโซมเพื่อเป็นสารตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน นอกจากนี้ พลังงานของพันธะเคมีระหว่างกรดอะมิโนที่ตกค้างและ tRNA ยังถูกใช้เพื่อสร้างพันธะเปปไทด์ในไรโบโซม ดังนั้นการกระตุ้นการทำงานของกรดอะมิโนและการก่อตัวของอะมิโนเอซิล-tRNA ทำให้เกิดการไหลเวียนของทั้งวัสดุและพลังงานสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนไรโบโซม
กระแสทั้งสามนี้ (ข้อมูล วัสดุ และพลังงาน) มาบรรจบกันในไรโบโซม เมื่อรับรู้สิ่งเหล่านี้ ไรโบโซมจะแปลหรือแปลข้อมูลทางพันธุกรรมจากภาษาของลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA ให้เป็นภาษาของลำดับกรดอะมิโนของสายพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นของโปรตีน หากเราจินตนาการสิ่งนี้ในแง่โมเลกุล ไรโบโซมจะสแกนสายโซ่ mRNA ตามลำดับ (เคลื่อนที่ไปตามมัน) และยังเลือกอะมิโนเอซิล-tRNA จากสิ่งแวดล้อมตามลำดับด้วย ซึ่งเป็นผลมาจากความจำเพาะของเรซิดิวอะมิโนอะซิลของอะมิโนเอซิล-tRNA ที่ถูกเลือกโดย ไรโบโซมจะถูกกำหนดในแต่ละครั้งโดยความจำเพาะของการรวมกันของนิวคลีโอไทด์ที่อ่านโดยชิ้นไรโบโซมของ mRNA ในปัจจุบัน ดังนั้นปัญหาของรหัสพันธุกรรมจึงเกิดขึ้น: การรวมกันของนิวคลีโอไทด์ใดที่เป็นตัวกำหนด เช่น เข้ารหัสกรดอะมิโน 20 ตัวจากการสร้างโมเลกุลโปรตีนแต่ละตัว
การเคลื่อนที่ของไรโบโซมไปตามสายโซ่ mRNA (หรืออีกนัยหนึ่งคือ การผ่านของสายโซ่ mRNA ผ่านไรโบโซม) กำหนดลำดับเวลาที่เข้มงวดสำหรับการเข้าของอะมิโนเอซิล-tRNA ต่างๆ เข้าไปในไรโบโซมตามลำดับของการเข้ารหัส การรวมกันของนิวคลีโอไทด์ตาม mRNA เรซิดิวอะมิโนเอซิลของอะมิโนเอซิล-tRNA ที่เลือกไว้แต่ละครั้งจะถูกยึดติดด้วยโควาเลนต์โดยไรโบโซมกับสายโพลีเปปไทด์ที่กำลังเติบโต tRNA ที่ถูกดีอะซิเลตจะถูกปล่อยออกจากไรโบโซมไปสู่สารละลาย นี่คือวิธีที่สายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีนถูกสร้างขึ้นตามลำดับ ทีละขั้นตอน (ดูแผนผังที่ 1)
© เอ.เอส. สไปริน
การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโปรตีน RNA WORLDและต้นกำเนิดของชีวิต
เช่น. สไปริน
สปิริน อเล็กซานเดอร์ เซอร์เกวิช- นักวิชาการ, ผู้อำนวยการสถาบันโปรตีนแห่ง Russian Academy of Sciences, สมาชิกของ Presidium of the Russian Academy of Sciences
เกือบครึ่งศตวรรษที่ผ่านมาในปี 1953 D. Watson และ F. Crick ค้นพบหลักการของการจัดระเบียบโครงสร้าง (โมเลกุล) ของสารยีน - กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) โครงสร้างของดีเอ็นเอเป็นกุญแจสำคัญในกลไกของการสืบพันธุ์ที่แม่นยำ - การทำซ้ำ - ของสารยีน นี่คือวิธีที่วิทยาศาสตร์ใหม่เกิดขึ้น - อณูชีววิทยา สิ่งที่เรียกว่าความเชื่อหลักของชีววิทยาระดับโมเลกุลถูกกำหนดขึ้น: โปรตีน DNA 1 RNA 1 ความหมายของมันคือข้อมูลทางพันธุกรรมที่บันทึกไว้ใน DNA นั้นรับรู้ในรูปแบบของโปรตีน แต่ไม่ใช่โดยตรง แต่ผ่านโพลีเมอร์ที่เกี่ยวข้อง - กรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) และเส้นทางจากกรดนิวคลีอิกไปจนถึงโปรตีนนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้น DNA จึงถูกสังเคราะห์ขึ้นบน DNA โดยทำให้เกิดการทำซ้ำของตัวเอง กล่าวคือ การสืบพันธุ์ของสารพันธุกรรมดั้งเดิมจากรุ่นสู่รุ่น RNA ถูกสังเคราะห์จาก DNA ส่งผลให้เกิดการเขียนใหม่หรือการถอดความข้อมูลทางพันธุกรรมให้อยู่ในรูปของ RNA หลายชุด โมเลกุล RNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน - ข้อมูลทางพันธุกรรมถูกแปลเป็นรูปแบบของสายโซ่โพลีเปปไทด์ ในกรณีพิเศษ RNA สามารถถูกถอดรหัสเป็นรูปแบบ DNA ("การถอดรหัสแบบย้อนกลับ") และยังคัดลอกในรูปแบบของ RNA (การจำลองแบบ) ได้ด้วย แต่โปรตีนไม่สามารถเป็นแม่แบบสำหรับกรดนิวคลีอิกได้ (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ดู) .
ดังนั้น DNA จึงเป็นตัวกำหนดพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต กล่าวคือ ชุดของโปรตีนและลักษณะที่เกี่ยวข้องซึ่งสืบพันธุ์จากรุ่นสู่รุ่น การสังเคราะห์โปรตีนเป็นกระบวนการสำคัญของสิ่งมีชีวิต ในด้านหนึ่งกรดนิวคลีอิกจัดให้มีโปรแกรมที่กำหนดชุดทั้งหมดและความจำเพาะของโปรตีนที่สังเคราะห์ และอีกด้านหนึ่งมีกลไกในการทำซ้ำโปรแกรมนี้อย่างแม่นยำตลอดชั่วอายุคน . ด้วยเหตุนี้ ต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตในรูปแบบเซลล์สมัยใหม่จึงลงมาจนถึงการเกิดขึ้นของกลไกการสังเคราะห์โปรตีนที่สืบทอดมา
การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโปรตีน
ความเชื่อหลักของชีววิทยาระดับโมเลกุลกำหนดเฉพาะเส้นทางการถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจากกรดนิวคลีอิกไปยังโปรตีน และส่งผลถึงคุณสมบัติและคุณลักษณะของสิ่งมีชีวิต การศึกษากลไกการดำเนินการตามวิถีนี้ตลอดหลายทศวรรษที่ตามการกำหนดหลักคำสอนกลางเผยให้เห็นการทำงานที่หลากหลายของ RNA มากกว่าการเป็นพาหะของข้อมูลจากยีน (DNA) ไปยังโปรตีนและทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน .
ในรูป รูปที่ 1 แสดงแผนภาพทั่วไปของการสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์ เมสเซนเจอร์อาร์เอ็นเอ(messenger RNA, messenger RNA, mRNA) ซึ่งเข้ารหัสโปรตีนตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เป็นเพียงหนึ่งในสามคลาสหลักของ RNA ของเซลล์ ส่วนใหญ่ (ประมาณ 80%) ประกอบด้วย RNA อีกประเภทหนึ่ง - ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ,ซึ่งก่อให้เกิดกรอบโครงสร้างและศูนย์กลางการทำงานของอนุภาคสังเคราะห์โปรตีนสากล - ไรโบโซม ไรโบโซมอาร์เอ็นเอมีหน้าที่รับผิดชอบในการสร้างเครื่องจักรโมเลกุลอัลตราไมโครสโคปิกที่เรียกว่าไรโบโซม ทั้งในด้านโครงสร้างและการใช้งาน ไรโบโซมรับรู้ข้อมูลทางพันธุกรรมในรูปของโมเลกุล mRNA และเมื่อถูกโปรแกรมครั้งสุดท้าย ก็จะสร้างโปรตีนตามโปรแกรมนี้
อย่างไรก็ตาม การสังเคราะห์โปรตีน ข้อมูลหรือโปรแกรมเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ คุณยังต้องมีวัสดุที่ใช้ในการผลิตอีกด้วย การไหลของวัสดุสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนเข้าสู่ไรโบโซมผ่าน RNA ของเซลล์ประเภทที่สาม - ผู้ให้บริการ RNA(ถ่ายโอน RNA, ถ่ายโอน RNA, tRNA) พวกมันจับ - ยอมรับ - กรดอะมิโนโควาเลนต์ซึ่งทำหน้าที่เป็นวัสดุก่อสร้างสำหรับโปรตีนและเข้าสู่ไรโบโซมในรูปของอะมิโนเอซิล-tRNA ในไรโบโซม aminoacyl-tRNA โต้ตอบกับ codons - การรวมกันของสามนิวคลีโอไทด์ - ของ mRNA ซึ่งเป็นผลมาจากการถอดรหัส codons ในระหว่างการแปล
กรดริโบนิวคลีอิก
ดังนั้นเราจึงมีชุด RNA ของเซลล์หลักที่อยู่ข้างหน้าเราซึ่งกำหนดกระบวนการหลักของสิ่งมีชีวิตสมัยใหม่นั่นคือการสังเคราะห์โปรตีน เหล่านี้คือ mRNA, ไรโบโซม RNA และ tRNA RNA ถูกสังเคราะห์บน DNA ด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ - RNA polymerase ซึ่งดำเนินการถอดรหัส - เขียนใหม่บางส่วน (ส่วนเชิงเส้น) ของ DNA ที่มีเกลียวคู่ให้อยู่ในรูปของ RNA ที่มีเกลียวเดี่ยว ส่วนของ DNA ที่เข้ารหัสโปรตีนในเซลล์จะถูกเขียนใหม่ในรูปแบบของ mRNA ในขณะที่การสังเคราะห์สำเนาของไรโบโซม RNA และ tRNA จำนวนมาก มีส่วนพิเศษของจีโนมของเซลล์ซึ่งมีการเขียนใหม่อย่างเข้มข้นโดยไม่มีการแปลเป็นโปรตีนในภายหลัง
โครงสร้างทางเคมีของอาร์เอ็นเอ
ในทางเคมี RNA นั้นคล้ายกับ DNA มาก สารทั้งสองเป็นโพลีเมอร์เชิงเส้นของนิวคลีโอไทด์ โมโนเมอร์แต่ละตัว - นิวคลีโอไทด์ - เป็นฟอสโฟรีเลชั่นเอ็นไกลโคไซด์ที่สร้างขึ้นจากกากน้ำตาลห้าคาร์บอน - เพนโตส ซึ่งมีหมู่ฟอสเฟตบนกลุ่มไฮดรอกซิลของอะตอมคาร์บอนตัวที่ห้า (พันธะเอสเตอร์) และฐานไนโตรเจนที่อะตอมคาร์บอนตัวแรก ( พันธะเอ็น-ไกลโคซิดิก) ความแตกต่างทางเคมีที่สำคัญระหว่าง DNA และ RNA คือน้ำตาลที่ตกค้างของโมโนเมอร์ RNA คือไรโบส ในขณะที่น้ำตาลที่ตกค้างของโมโนเมอร์ DNA คือดีออกซีไรโบส ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของไรโบสที่ขาดหมู่ไฮดรอกซิลที่อะตอมคาร์บอนตัวที่สอง (รูปที่ 2 ).
 ข้าว. 2.สูตรเคมีของสารตกค้าง หนึ่งในไรโบนิวคลีโอไทด์ - uridyl กรด (U) และความคล้ายคลึงกัน ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ - กรดไทมิไดลิก (dT) |
เบสไนโตรเจนมีสี่ประเภทใน DNA และ RNA: พิวรีนสองตัว - อะดีนีน (A) และกัวนีน (G) - และเบสไพริมิดีนสองเบส - ไซโตซีน (C) และยูราซิล (U) หรือไทมีนอนุพันธ์เมทิลเลต (T) Uracil เป็นลักษณะของโมโนเมอร์ RNA และไทมีนเป็นลักษณะของโมโนเมอร์ DNA และนี่คือข้อแตกต่างที่สองระหว่าง RNA และ DNA โมโนเมอร์ - RNA ไรโบนิวคลีโอไทด์หรือ DNA ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ - ก่อตัวเป็นสายโซ่โพลีเมอร์โดยการสร้างสะพานฟอสโฟไดสเตอร์ระหว่างน้ำตาลที่ตกค้าง (ระหว่างอะตอมคาร์บอนที่ห้าและสามของเพนโตส) ดังนั้นสายโซ่โพลีเมอร์ของกรดนิวคลีอิก - DNA หรือ RNA - สามารถแสดงเป็นแกนหลักน้ำตาลฟอสเฟตเชิงเส้นโดยมีฐานไนโตรเจนเป็นกลุ่มด้านข้าง โครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ของอาร์เอ็นเอ ความแตกต่างทางโครงสร้างมหภาคพื้นฐานระหว่างกรดนิวคลีอิกทั้งสองประเภทคือ DNA เป็นเกลียวคู่เดี่ยว กล่าวคือ โมเลกุลขนาดใหญ่ของสายโพลีเมอร์ที่จับเสริมสองเส้นที่บิดเกลียวเป็นเกลียวรอบแกนร่วม (ดู [, ]) และ RNA เป็นเกลียวเดี่ยว โพลีเมอร์ควั่น ในเวลาเดียวกันปฏิสัมพันธ์ของกลุ่มด้านข้าง - ฐานไนโตรเจน - ซึ่งกันและกันเช่นเดียวกับฟอสเฟตและไฮดรอกซิลของแกนนำน้ำตาลฟอสเฟตนำไปสู่ความจริงที่ว่าโพลีเมอร์ RNA แบบเกลียวเดี่ยวพับเข้าหาตัวมันเองและบิดตัว เป็นโครงสร้างที่มีขนาดกะทัดรัด คล้ายกับการพับสายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีนให้เป็นทรงกลมที่มีขนาดกะทัดรัด ด้วยวิธีนี้ ลำดับนิวคลีโอไทด์ RNA ที่เป็นเอกลักษณ์สามารถสร้างโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่เป็นเอกลักษณ์ได้ |
โครงสร้างเชิงพื้นที่เฉพาะของ RNA ได้รับการแสดงให้เห็นครั้งแรกเมื่อมีการถอดรหัสโครงสร้างอะตอมของ tRNA ตัวใดตัวหนึ่งในปี 1974 [, ] (รูปที่ 3) การพับของสายโซ่โพลีเมอร์ tRNA ซึ่งประกอบด้วยโมโนเมอร์นิวคลีโอไทด์ 76 ตัว นำไปสู่การก่อตัวของแกนทรงกลมที่มีขนาดกะทัดรัดมาก ซึ่งมีส่วนที่ยื่นออกมาสองอันยื่นออกมาเป็นมุมฉาก พวกมันเป็นเกลียวคู่สั้น ๆ คล้ายกับ DNA แต่ถูกจัดระเบียบผ่านปฏิสัมพันธ์ของส่วนต่าง ๆ ของสายโซ่ RNA เดียวกัน ส่วนที่ยื่นออกมาอย่างหนึ่งคือตัวรับกรดอะมิโนและเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์โปรตีนบนไรโบโซม และอีกอันมีไว้สำหรับการทำงานร่วมกันเสริมกับการเข้ารหัสแฝด (โคดอน) ของ mRNA ในไรโบโซมเดียวกัน มีเพียงโครงสร้างดังกล่าวเท่านั้นที่สามารถโต้ตอบกับโปรตีนของเอนไซม์ที่ยึดกรดอะมิโนกับ tRNA โดยเฉพาะและกับไรโบโซมในระหว่างการแปลนั่นคือ "รับรู้" โดยเฉพาะจากพวกมัน
ข้าว. 3.แบบจำลองอะตอม (ซ้าย) และโครงร่าง (ขวา) ของยีสต์ฟีนิลอะลานีน tRNA
การศึกษาไรโบโซมอาร์เอ็นเอที่แยกเดี่ยวได้ให้ตัวอย่างที่ชัดเจนต่อไปนี้ของการก่อตัวของโครงสร้างเฉพาะที่มีขนาดกะทัดรัดจากโพลีเมอร์เชิงเส้นที่ยาวกว่าประเภทนี้ ไรโบโซมประกอบด้วยสองส่วนที่ไม่เท่ากัน - หน่วยย่อยไรโบโซมขนาดใหญ่และขนาดเล็ก (หน่วยย่อย) แต่ละอนุภาคย่อยถูกสร้างขึ้นจาก RNA โพลีเมอร์สูงหนึ่งตัวและโปรตีนไรโบโซมที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่ง ความยาวของสายโซ่ไรโบโซม RNA มีความสำคัญมาก ตัวอย่างเช่น RNA ของหน่วยย่อยขนาดเล็กของไรโบโซมจากแบคทีเรียมีนิวคลีโอไทด์มากกว่า 1,500 ตัว และ RNA ของหน่วยย่อยขนาดใหญ่มีนิวคลีโอไทด์ประมาณ 3,000 ตัว ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม รวมทั้งมนุษย์ อาร์เอ็นเอเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าอีก ประมาณ 1,900 นิวคลีโอไทด์ และมากกว่า 5,000 นิวคลีโอไทด์ในหน่วยย่อยขนาดเล็กและขนาดใหญ่ ตามลำดับ
มีการแสดงให้เห็นว่า RNA ของไรโบโซมที่แยกเดี่ยว ซึ่งแยกออกจากคู่โปรตีนของพวกมันและได้รับมาในรูปแบบบริสุทธิ์ นั้นสามารถพับเป็นโครงสร้างขนาดเล็กกะทัดรัดโดยมีขนาดและรูปร่างใกล้เคียงกับอนุภาคย่อยของไรโบโซมได้เอง] รูปร่างของอนุภาคย่อยขนาดใหญ่และขนาดเล็กนั้นแตกต่างกัน และรูปร่างของไรโบโซม RNA ขนาดใหญ่และขนาดเล็กนั้นแตกต่างกันตามลำดับ (รูปที่ 4) ดังนั้นสายโซ่เชิงเส้นของไรโบโซมอาร์เอ็นเอจึงจัดตัวเองเป็นโครงสร้างเชิงพื้นที่เฉพาะที่กำหนดขนาด รูปร่าง และโครงสร้างภายในของอนุภาคย่อยของไรโบโซม และผลที่ตามมาคือไรโบโซมทั้งหมด
RNA รอง ขณะที่เราศึกษาส่วนประกอบของเซลล์ที่มีชีวิตและเศษส่วนแต่ละส่วนของ RNA ของเซลล์ทั้งหมด ก็เห็นได้ชัดว่าสสารไม่ได้จำกัดอยู่เพียง RNA หลักสามประเภทเท่านั้น ปรากฎว่ามี RNA ประเภทอื่นอีกมากมายในธรรมชาติ ประการแรกเรียกว่า "RNA ขนาดเล็ก" ซึ่งมีนิวคลีโอไทด์มากถึง 300 ตัว ซึ่งมักมีฟังก์ชันที่ไม่รู้จัก ตามกฎแล้วพวกมันเกี่ยวข้องกับโปรตีนตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไปและถูกนำเสนอในเซลล์ในรูปแบบของไรโบนิวคลีโอโปรตีน - "RNP ขนาดเล็ก"
RNA ขนาดเล็กมีอยู่ในทุกส่วนของเซลล์ รวมถึงไซโตพลาสซึม นิวเคลียส นิวเคลียส และไมโตคอนเดรีย RNP ขนาดเล็กที่ทราบหน้าที่ส่วนใหญ่นั้นเกี่ยวข้องกับกลไกของการประมวลผลหลังการถอดรหัสของ RNA ประเภทหลัก ๆ (การประมวลผล RNA) - การแปลงสารตั้งต้นของ mRNA ไปเป็น mRNA ที่เจริญเต็มที่ (การต่อเชื่อม), การแก้ไข mRNA, การสร้างทางชีวภาพของ tRNA และไรโบโซม RNA การเจริญเติบโต RNP ขนาดเล็ก (SRP) ประเภทหนึ่งที่มีมากที่สุดในเซลล์มีบทบาทสำคัญในการขนส่งโปรตีนสังเคราะห์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ มี RNA ขนาดเล็กหลายประเภทที่รู้จักซึ่งทำหน้าที่ด้านกฎระเบียบในการแปล RNA ขนาดเล็กพิเศษเป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ที่สำคัญที่สุดที่รับผิดชอบในการรักษาการจำลองดีเอ็นเอในเซลล์รุ่นต่างๆ - เทโลเมอเรส ควรกล่าวว่าขนาดโมเลกุลของมันเทียบได้กับขนาดของโปรตีนทรงกลมของเซลล์ ดังนั้นจึงค่อยๆ ชัดเจนว่าการทำงานของเซลล์ที่มีชีวิตนั้นถูกกำหนดไม่เพียงแต่โดยความหลากหลายของโปรตีนที่สังเคราะห์ในนั้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการมีอยู่ของชุด RNA ที่หลากหลายมากมาย ซึ่ง RNA ขนาดเล็กส่วนใหญ่เลียนแบบความกะทัดรัดและขนาด ของโปรตีน
ไรโบไซม์ ชีวิตที่กระฉับกระเฉงทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากการเผาผลาญ - เมแทบอลิซึม และปฏิกิริยาทางชีวเคมีทั้งหมดของการเผาผลาญเกิดขึ้นที่ความเร็วที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าชีวิตต้องขอบคุณตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะที่มีประสิทธิภาพสูงที่สร้างขึ้นโดยวิวัฒนาการเท่านั้น เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักชีวเคมีมั่นใจว่าการเร่งปฏิกิริยาทางชีววิทยาจะดำเนินการโดยโปรตีนที่เรียกว่าเสมอและทุกที่ เอนไซม์, หรือ เอนไซม์และในปี 1982-1983 มีการแสดงให้เห็นว่าในธรรมชาติมี RNA หลายประเภทที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาจำเพาะสูง เช่นเดียวกับโปรตีน ตัวเร่งปฏิกิริยา RNA ดังกล่าวถูกเรียกว่า ไรโบไซม์แนวคิดเรื่องความพิเศษของโปรตีนในการเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาทางชีวเคมีได้สิ้นสุดลงแล้ว
ปัจจุบันไรโบโซมยังถือเป็นไรโบไซม์อีกด้วย ข้อมูลการทดลองที่มีอยู่ทั้งหมดบ่งชี้ว่าการสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีนในไรโบโซมถูกเร่งปฏิกิริยาโดยไรโบโซมอาร์เอ็นเอ ไม่ใช่โดยโปรตีนไรโบโซม มีการระบุบริเวณตัวเร่งปฏิกิริยาของไรโบโซม RNA ขนาดใหญ่ซึ่งรับผิดชอบในการเร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยนเปปไทเดชัน ซึ่งสายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีนเพิ่มขึ้นระหว่างการแปล ได้รับการระบุแล้ว
สำหรับการจำลองแบบของ DNA ของไวรัส กลไกของมันไม่แตกต่างกันมากนักจากการทำซ้ำของสารพันธุกรรม - DNA - ของเซลล์เอง ในกรณีของ RNA ของไวรัส กระบวนการต่างๆ จะถูกตระหนักว่าถูกระงับหรือขาดหายไปโดยสิ้นเชิงในเซลล์ปกติ โดยที่ RNA ทั้งหมดจะถูกสังเคราะห์บน DNA ที่เป็นเมทริกซ์เท่านั้น เมื่อติดไวรัส RNA สถานการณ์อาจเป็นสองเท่า ในบางกรณี DNA จะถูกสังเคราะห์บน RNA ของไวรัสเป็นแม่แบบ (“การถอดรหัสแบบย้อนกลับ”) และสำเนาของ RNA ของไวรัสจำนวนมากจะถูกคัดลอกบน DNA นี้ ในกรณีอื่นที่น่าสนใจที่สุดสำหรับเรา สาย RNA เสริมจะถูกสังเคราะห์บน RNA ของไวรัส ซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ - การจำลองแบบ - ของสำเนาใหม่ของ RNA ของไวรัส ดังนั้นในระหว่างการติดเชื้อไวรัสที่มี RNA ความสามารถพื้นฐานของ RNA ในการตรวจสอบการสืบพันธุ์ของโครงสร้างของตัวเองเช่นเดียวกับในกรณีของ DNA จะถูกรับรู้
มัลติฟังก์ชั่นของ RNA การสรุปและทบทวนความรู้เกี่ยวกับหน้าที่ของ RNA ช่วยให้เราสามารถพูดเกี่ยวกับความสามารถรอบด้านที่ไม่ธรรมดาของโพลีเมอร์นี้ในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต รายการฟังก์ชันหลักที่รู้จักของ RNA ต่อไปนี้สามารถให้ได้
ฟังก์ชันการทำซ้ำทางพันธุกรรม: ความสามารถเชิงโครงสร้างในการคัดลอก (จำลอง) ลำดับนิวคลีโอไทด์เชิงเส้นผ่านลำดับเสริม ฟังก์ชั่นนี้เกิดขึ้นได้ในระหว่างการติดเชื้อไวรัส และคล้ายคลึงกับหน้าที่หลักของ DNA ในชีวิตของสิ่งมีชีวิตในเซลล์ นั่นคือ การทำซ้ำสารพันธุกรรมโดยทั่วไปแล้ว RNA ปรากฏต่อเราว่าเป็นโพลีเมอร์ที่น่าทึ่งซึ่งดูเหมือนว่าทั้งวิวัฒนาการของจักรวาลและความฉลาดของผู้สร้างไม่น่าจะเพียงพอสำหรับการประดิษฐ์ อย่างที่คุณเห็น RNA สามารถทำหน้าที่ของโพลีเมอร์ทั้งสองซึ่งมีความสำคัญขั้นพื้นฐานต่อชีวิตได้ นั่นก็คือ DNA และโปรตีน ไม่น่าแปลกใจเลยที่วิทยาศาสตร์ต้องเผชิญกับคำถามที่ว่า การเกิดขึ้นและการดำรงอยู่อย่างพอเพียงของโลก RNA จะเกิดขึ้นก่อนการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตในรูปแบบ DNA-โปรตีนสมัยใหม่ได้หรือไม่ฟังก์ชั่นการเข้ารหัส: การเขียนโปรแกรมการสังเคราะห์โปรตีนโดยลำดับเชิงเส้นของนิวคลีโอไทด์ นี่เป็นหน้าที่เดียวกับ DNA ในทั้ง DNA และ RNA นิวคลีโอไทด์แฝดที่เหมือนกันจะเข้ารหัสกรดอะมิโน 20 ตัวของโปรตีน และลำดับของแฝดสามในสายโซ่กรดนิวคลีอิกเป็นโปรแกรมสำหรับการจัดเรียงกรดอะมิโน 20 ชนิดตามลำดับในสายโซ่โพลีเปปไทด์ของโปรตีน
ฟังก์ชั่นการขึ้นรูปโครงสร้าง: การก่อตัวของโครงสร้างสามมิติที่เป็นเอกลักษณ์ โมเลกุล RNA ขนาดเล็กที่พับอย่างแน่นหนามีพื้นฐานคล้ายคลึงกับโครงสร้างสามมิติของโปรตีนทรงกลม และโมเลกุล RNA ที่ยาวกว่าสามารถสร้างอนุภาคทางชีวภาพหรือนิวเคลียสที่ใหญ่ขึ้นได้
ฟังก์ชันการรับรู้: ปฏิสัมพันธ์เชิงพื้นที่ที่มีความจำเพาะสูงกับโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ (รวมถึงโปรตีนและ RNA อื่นๆ) และกับลิแกนด์ขนาดเล็ก ฟังก์ชันนี้อาจเป็นฟังก์ชันหลักของโปรตีน ขึ้นอยู่กับความสามารถของโพลีเมอร์ในการพับในลักษณะเฉพาะและสร้างโครงสร้างสามมิติที่เฉพาะเจาะจง ฟังก์ชั่นการจดจำเป็นพื้นฐานของการเร่งปฏิกิริยาจำเพาะ
ฟังก์ชั่นตัวเร่งปฏิกิริยา: การเร่งปฏิกิริยาเฉพาะของปฏิกิริยาเคมีโดยไรโบไซม์ ฟังก์ชันนี้คล้ายกับการทำงานของเอนไซม์ของโปรตีนเอนไซม์
ต้นกำเนิดของชีวิต
ทฤษฎีโปรตีน-โคเซอร์เวตของโอปาริน บางทีทฤษฎีแรกทางวิทยาศาสตร์ที่มีความคิดดีเกี่ยวกับต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตด้วยวิธีอะบิเจนิกถูกเสนอโดยนักชีวเคมี A.I. โอปารินย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ผ่านมา [,] ทฤษฎีนี้มีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าทุกสิ่งทุกอย่างเริ่มต้นจากโปรตีน และความเป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการของการสังเคราะห์ทางเคมีที่เกิดขึ้นเองของโปรตีนโมโนเมอร์ กรดอะมิโน และโพลีเมอร์คล้ายโปรตีน (โพลีเปปไทด์) ในลักษณะอะบิเจนิก การตีพิมพ์ทฤษฎีนี้กระตุ้นให้เกิดการทดลองจำนวนมากในห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลก ซึ่งแสดงให้เห็นความเป็นจริงของการสังเคราะห์ดังกล่าวภายใต้สภาวะเทียม ทฤษฎีนี้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปอย่างรวดเร็วและได้รับความนิยมอย่างมาก
หลักการหลักของมันคือสารประกอบคล้ายโปรตีนที่ปรากฏขึ้นตามธรรมชาติใน "น้ำซุป" หลักถูกรวมเข้าด้วยกัน "เป็นหยด coacervate - ระบบคอลลอยด์ที่แยกได้ (โซล) ที่ลอยอยู่ในสารละลายน้ำที่เจือจางมากขึ้น นี่เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นหลักสำหรับการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิต - การแยกระบบทางชีวเคมีบางอย่างออกจากสิ่งแวดล้อม การแบ่งส่วน เนื่องจากสารประกอบคล้ายโปรตีนของหยด coacervate อาจมีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวเคมีภายในหยด - รูปร่างของการดูดซึมจึงเกิดขึ้นดังนั้นการเติบโต ของ coacervate โดยการสลายตัวออกเป็นส่วน ๆ ในเวลาต่อมา - การสืบพันธุ์ การดูดซึม การเติบโต และการสืบพันธุ์โดยการแบ่ง coacervate ถือเป็นต้นแบบของเซลล์ที่มีชีวิต (รูปที่ 5)
ข้าว. 5.การแสดงแผนผังของการกำเนิดของชีวิต
ตามทฤษฎีโปรตีน-โคเซอร์เวตของ A.I. โอปาริน่า
ทุกอย่างได้รับการคิดมาอย่างดีและได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ในทางทฤษฎี ยกเว้นปัญหาเดียวซึ่งผู้เชี่ยวชาญเกือบทั้งหมดในสาขาต้นกำเนิดของชีวิตเมินเฉยมาเป็นเวลานาน หากโดยธรรมชาติ ด้วยการสังเคราะห์แบบไม่มีเทมเพลตแบบสุ่ม การออกแบบโมเลกุลโปรตีนที่ประสบความสำเร็จเพียงครั้งเดียวเกิดขึ้นในโคเซอร์เวต (ตัวอย่างเช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิผลที่ให้ข้อได้เปรียบสำหรับโคเซอร์เวทที่ให้มาในการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์) แล้วจะคัดลอกพวกมันเพื่อจำหน่ายภายในได้อย่างไร coacervate และยิ่งกว่านั้นสำหรับการส่งสัญญาณไปยัง coacervate ที่สืบทอดมา? ทฤษฎีนี้กลับกลายเป็นว่าไม่สามารถเสนอวิธีแก้ปัญหาของการสืบพันธุ์ที่แน่นอนได้ ทั้งภายใน coacervate และในรุ่นต่อ ๆ ไปของโครงสร้างโปรตีนที่มีประสิทธิภาพเดี่ยว ๆ ที่ปรากฏแบบสุ่ม
โลก RNA ในฐานะบรรพบุรุษของชีวิตสมัยใหม่ การสั่งสมความรู้เกี่ยวกับรหัสพันธุกรรม กรดนิวคลีอิก และการสังเคราะห์โปรตีนนำไปสู่การอนุมัติแนวคิดพื้นฐานใหม่เกี่ยวกับ TOM ว่าทั้งหมดนี้ไม่ได้เริ่มต้นจากโปรตีน แต่เริ่มต้นจาก RNA [-] กรดนิวคลีอิกเป็นโพลีเมอร์ชีวภาพชนิดเดียวที่มีโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ ต้องขอบคุณหลักการเสริมกันระหว่างการสังเคราะห์สายโซ่ใหม่ (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดู) ทำให้สามารถคัดลอกลำดับเชิงเส้นของหน่วยโมโนเมอร์ของตัวเอง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความสามารถในการทำซ้ำ (จำลอง) พอลิเมอร์และโครงสร้างจุลภาค ดังนั้น มีเพียงกรดนิวคลีอิกเท่านั้น แต่ไม่ใช่โปรตีน ที่สามารถเป็นสารพันธุกรรมได้ ซึ่งก็คือโมเลกุลที่สามารถทำซ้ำได้ซึ่งจะทำซ้ำโครงสร้างจุลภาคที่จำเพาะของพวกมันไปหลายชั่วอายุคน
ด้วยเหตุผลหลายประการ มันคือ RNA ไม่ใช่ DNA ที่สามารถเป็นตัวแทนของสารพันธุกรรมหลักได้
ประการแรกทั้งในการสังเคราะห์ทางเคมีและปฏิกิริยาทางชีวเคมี ไรโบนิวคลีโอไทด์อยู่ข้างหน้าดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เป็นผลิตภัณฑ์ดัดแปลงของไรโบนิวคลีโอไทด์ (ดูรูปที่ 2)
ประการที่สองในกระบวนการเมแทบอลิซึมที่สำคัญและเก่าแก่ที่สุด มันคือไรโบนิวคลีโอไทด์ ไม่ใช่ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ ซึ่งมีอยู่อย่างกว้างขวาง รวมถึงตัวพาพลังงานหลัก เช่น ไรโบนิวคลีโอไซด์ โพลีฟอสเฟต (ATP เป็นต้น)
ที่สาม,การจำลองแบบ RNA สามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของ DNA และกลไกของการจำลองแบบ DNA แม้แต่ในโลกที่มีชีวิตสมัยใหม่ จำเป็นต้องมีส่วนร่วมของไพรเมอร์ RNA ในการเริ่มต้นการสังเคราะห์สายโซ่ DNA
ประการที่สี่ด้วยเมทริกซ์และหน้าที่ทางพันธุกรรมเดียวกันกับ DNA ทำให้ RNA ยังสามารถทำหน้าที่หลายอย่างที่มีอยู่ในโปรตีน รวมถึงการเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาเคมีด้วย ดังนั้นจึงมีเหตุผลทุกประการที่ต้องพิจารณาว่า DNA เป็นการได้มาซึ่งวิวัฒนาการในภายหลัง - เป็นการดัดแปลง RNA ซึ่งมีความเชี่ยวชาญพิเศษในการทำหน้าที่ในการทำซ้ำและจัดเก็บสำเนาของยีนที่มีเอกลักษณ์เฉพาะซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของจีโนมของเซลล์โดยไม่ต้องมีส่วนร่วมโดยตรงในการสังเคราะห์โปรตีน
หลังจากค้นพบ RNA ที่มีการเร่งปฏิกิริยาแล้ว แนวคิดเรื่องความเป็นอันดับหนึ่งของ RNA ในต้นกำเนิดของชีวิตได้รับแรงผลักดันที่แข็งแกร่งสำหรับการพัฒนา และแนวคิดดังกล่าวได้รับการกำหนดขึ้น โลก RNA แบบพอเพียงก่อนชีวิตสมัยใหม่ [,] รูปแบบที่เป็นไปได้สำหรับการเกิดขึ้นของโลก RNA แสดงไว้ในรูปที่ 1 6.
การสังเคราะห์อะไบโอเจนิกของไรโบนิวคลีโอไทด์และการรวมตัวของโควาเลนต์กับโอลิโกเมอร์และโพลีเมอร์ เช่น RNA อาจเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะเดียวกันโดยประมาณและในสภาพแวดล้อมทางเคมีเดียวกันที่ถูกตั้งสมมติฐานสำหรับการก่อตัวของกรดอะมิโนและโพลีเปปไทด์ เมื่อเร็วๆ นี้ A.B. Chetverin และเพื่อนร่วมงานของเขา (Institute of Protein, Russian Academy of Sciences) ทดลองแสดงให้เห็นว่าอย่างน้อยพอลิไรโบนิวคลีโอไทด์ (RNA) บางชนิดในสภาพแวดล้อมทางน้ำปกติสามารถรวมตัวกันใหม่ได้เองตามธรรมชาติ นั่นคือการแลกเปลี่ยนส่วนของสายโซ่โดยทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน การแลกเปลี่ยนส่วนของสายโซ่สั้นสำหรับสายยาวควรนำไปสู่การยืดตัวของโพลีไรโบนิวคลีโอไทด์ (RNA) และการรวมตัวกันอีกครั้งนั้นควรมีส่วนทำให้เกิดความหลากหลายของโครงสร้างของโมเลกุลเหล่านี้ โมเลกุล RNA ที่ทำงานเชิงเร่งปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นในหมู่พวกมันได้เช่นกัน
แม้แต่การปรากฏที่หายากอย่างยิ่งของโมเลกุล RNA เดี่ยวที่สามารถเร่งปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันของไรโบนิวคลีโอไทด์หรือการเชื่อมต่อ (การประกบ) ของโอลิโกนิวคลีโอไทด์บนสายคู่สมที่เป็นแม่แบบ [, ] หมายถึงการจัดตั้งกลไกการจำลองแบบ RNA การจำลองแบบของตัวเร่งปฏิกิริยา RNA (ไรโบไซม์) เองควรส่งผลให้เกิดการเกิดขึ้นของประชากร RNA ที่จำลองแบบตัวเอง โดยการผลิตสำเนาของตัวเอง อาร์เอ็นเอก็ทวีคูณขึ้น ข้อผิดพลาดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการคัดลอก (การกลายพันธุ์) และการรวมตัวกันใหม่ในประชากร RNA ที่จำลองตัวเองทำให้เกิดโลกที่มีความหลากหลายมากขึ้น ดังนั้นโลก RNA โบราณที่นำเสนอจึงเป็น "โลกทางชีววิทยาแบบพอเพียงซึ่งโมเลกุล RNA ทำหน้าที่เป็นทั้งสารพันธุกรรมและเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาคล้ายเอนไซม์" .
การเกิดขึ้นของการสังเคราะห์โปรตีน นอกจากนี้ บนพื้นฐานของโลก RNA การก่อตัวของกลไกการสังเคราะห์โปรตีน การเกิดขึ้นของโปรตีนต่างๆ ที่มีโครงสร้างและคุณสมบัติที่สืบทอดมา การแบ่งแยกระบบการสังเคราะห์โปรตีนและชุดโปรตีน ซึ่งอาจอยู่ในรูปของ coacervates และวิวัฒนาการของอย่างหลังเป็น โครงสร้างเซลล์ - เซลล์ที่มีชีวิต (ดูรูปที่ 6) ควรเกิดขึ้น ).
ปัญหาของการเปลี่ยนจากโลก RNA โบราณไปสู่โลกการสังเคราะห์โปรตีนสมัยใหม่นั้นยากที่สุดแม้จะเป็นวิธีแก้ปัญหาทางทฤษฎีก็ตาม ความเป็นไปได้ของการสังเคราะห์อะบิเจนิกของโพลีเปปไทด์และสารคล้ายโปรตีนไม่ได้ช่วยในการแก้ปัญหา เนื่องจากไม่สามารถมองเห็นเส้นทางที่เฉพาะเจาะจงได้ว่าการสังเคราะห์นี้สามารถควบคู่กับ RNA และอยู่ภายใต้การควบคุมทางพันธุกรรมได้อย่างไร การสังเคราะห์โพลีเปปไทด์และโปรตีนที่ควบคุมทางพันธุกรรมต้องพัฒนาโดยไม่ขึ้นอยู่กับการสังเคราะห์อะบิเจนิกปฐมภูมิ ในลักษณะของตัวเอง บนพื้นฐานของโลก RNA ที่มีอยู่แล้ว มีการเสนอสมมติฐานหลายประการในวรรณคดีเกี่ยวกับต้นกำเนิดของกลไกสมัยใหม่ของการสังเคราะห์โปรตีนในโลกของ RNA แต่บางทีอาจจะไม่มีข้อใดที่สามารถพิจารณาได้อย่างถี่ถ้วนและไร้ที่ติจากมุมมองของความสามารถทางเคมีกายภาพ ฉันจะนำเสนอกระบวนการวิวัฒนาการและความเชี่ยวชาญเฉพาะทางของ RNA ในเวอร์ชันของฉันซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของอุปกรณ์สังเคราะห์โปรตีน (รูปที่ 7) แต่ไม่ได้แสร้งทำเป็นว่าเสร็จสมบูรณ์
โครงการสมมุติที่เสนอประกอบด้วยประเด็นสำคัญสองประเด็นที่ดูเหมือนเป็นพื้นฐาน
ประการแรกมีการตั้งสมมติฐานว่าโอลิโกริโบนิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นโดยทางธรรมชาตินั้นรวมตัวกันอีกครั้งอย่างแข็งขันผ่านกลไกของการทรานส์เอสเตริฟิเคชันที่ไม่ใช่เอนไซม์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของสายโซ่ RNA ที่ยาวขึ้นและทำให้เกิดความหลากหลายของพวกมัน ด้วยวิธีนี้ทั้ง RNA (ไรโบไซม์) ที่มีการเร่งปฏิกิริยาและ RNA ประเภทอื่น ๆ ที่มีฟังก์ชันเฉพาะสามารถปรากฏในประชากรของโอลิโกนิวคลีโอไทด์และโพลีนิวคลีโอไทด์ได้ (ดูรูปที่ 7) ยิ่งไปกว่านั้น การรวมตัวกันอีกครั้งแบบไม่มีเอนไซม์ของโอลิโกนิวคลีโอไทด์ซึ่งจับเสริมกับเมทริกซ์โพลีนิวคลีโอไทด์สามารถรับประกันการเชื่อมโยงข้าม (การประกบ) ของชิ้นส่วนที่เสริมกับเมทริกซ์นี้ให้เป็นสายโซ่เดียว ด้วยวิธีนี้ และไม่ใช่โดยการเร่งปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของโมโนนิวคลีโอไทด์ ทำให้การคัดลอก (การสืบพันธุ์) ของ RNA เบื้องต้นสามารถทำได้ แน่นอนว่าหากไรโบไซม์ปรากฏว่ามีกิจกรรมโพลีเมอเรส ประสิทธิภาพ (ความแม่นยำ ความเร็ว และผลผลิต) ของการคัดลอกก็จะช่วยเสริมกัน เมทริกซ์ต้องเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
ข้าว. 7.แผนผังวิวัฒนาการและความเชี่ยวชาญของโมเลกุล RNA
ในกระบวนการเปลี่ยนผ่านจากโลก RNA โบราณสู่โลกสมัยใหม่
การสังเคราะห์โปรตีนที่กำหนดทางพันธุกรรม
ที่สองจุดพื้นฐานในเวอร์ชันของฉันคือเครื่องมือการสังเคราะห์โปรตีนหลักเกิดขึ้นบนพื้นฐานของ RNA เฉพาะทางหลายประเภทก่อนการปรากฏตัวของเครื่องมือจำลองแบบเอนไซม์ (โพลีเมอเรส) ของสารพันธุกรรม - RNA และ DNA เครื่องมือหลักนี้รวมถึง proribosomal RNA ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกิจกรรม peptidyl Transferase; ชุดของโปร-tRNA ที่จับกรดอะมิโนหรือเปปไทด์สั้นโดยเฉพาะ proribosomal RNA อีกตัวหนึ่งที่สามารถโต้ตอบพร้อมกันกับตัวเร่งปฏิกิริยา proribosomal RNA, pro-mRNA และ pro-tRNA (ดูรูปที่ 7) ระบบดังกล่าวสามารถสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์ได้แล้วเนื่องจากปฏิกิริยาทรานส์เพปทิเดชันที่มันกระตุ้น ในบรรดาโปรตีนที่ออกฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาอื่น ๆ - เอนไซม์หลัก (เอนไซม์) โปรตีนก็ปรากฏว่ากระตุ้นการเกิดพอลิเมอไรเซชันของนิวคลีโอไทด์ - เรพลิเคชันหรือ NK polymerases
อย่างไรก็ตามเป็นไปได้ว่าสมมติฐานเกี่ยวกับโลกโบราณของ RNA ในฐานะบรรพบุรุษของโลกสิ่งมีชีวิตสมัยใหม่จะไม่สามารถรับเหตุผลที่เพียงพอที่จะเอาชนะปัญหาหลักได้ซึ่งเป็นคำอธิบายที่น่าเชื่อถือทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลไกของการเปลี่ยนจาก RNA และ การจำลองแบบเพื่อการสังเคราะห์โปรตีน มีสมมติฐานทางเลือกที่น่าสนใจและมีความคิดที่ดีโดย A.D. Altstein (สถาบันยีนชีววิทยา, Russian Academy of Sciences) ซึ่งตั้งสมมติฐานว่าการจำลองแบบของสารพันธุกรรมและการแปล - การสังเคราะห์โปรตีน - เกิดขึ้นและพัฒนาไปพร้อม ๆ กันและรวมกันโดยเริ่มจากการทำงานร่วมกันของโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นโดยทางธรรมชาติและอะมิโนเอซิล - นิวคลีโอไทด์ - แอนไฮไดรด์ผสม ของกรดอะมิโนและนิวคลีโอไทด์ แต่นี่คือเทพนิยายเรื่องต่อไป... ( “รุ่งเช้ามาทันชาห์รอซัด และเธอก็หยุดพูดตามที่ได้รับอนุญาต”.)
วรรณกรรม
1. วัตสัน เจ.ดี., คริก เอฟ.เอช.ซี.โครงสร้างโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก // ธรรมชาติ. พ.ศ. 2496 ว. 171. หน้า 738-740 2. วัตสัน เจ.ดี., คริก เอฟ.เอช.ซี.ผลกระทบทางพันธุกรรมของโครงสร้างของกรดนิวคลีอิกดีออกซีไรโบส // ธรรมชาติ 1953 V. 171 หน้า 964-967 3. สปิริน เอ.เอส.ชีววิทยาสมัยใหม่และความปลอดภัยทางชีวภาพ // แถลงการณ์ของ Russian Academy of Sciences พ.ศ. 2540 ลำดับที่ 7. 4. สปิริน เอ.เอส.เรื่อง โครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ของกรดไรโบนิวคลีอิกโพลีเมอร์สูงในสารละลาย // วารสารชีววิทยาโมเลกุล. พ.ศ. 2503 ว. 2. หน้า 436-446 5. Kirn S.H., Suddath F.L., Quigley G.J. และคณะโครงสร้างสามมิติของการถ่ายโอนฟีนิลอะลานีนของยีสต์ RNA // วิทยาศาสตร์ พ.ศ. 2517 ว. 185. หน้า 435-40. 6. โรเบอร์ทาส เจ.ดี., แลดเนอร์ เจ.อี., ฟินช์ เจ.ที. และคณะโครงสร้างของยีสต์ฟีนิลอะลานีน tRNA ที่ความละเอียด 3 A // ธรรมชาติ พ.ศ. 2517 V. 250. P. 546-551. 7. Vasiliev V.D., Serdyuk I.N., Gudkov A.T., SPIRin A.S.การจัดระเบียบตนเองของไรโบโซม RNA // โครงสร้างฟังก์ชันและพันธุศาสตร์ของไรโบโซม / Eds Hardesty B. และ Kramer G. New York: Springer-Verlag, 1986 หน้า 129-142 8. บาเซอร์กา เอส.เจ., ชไตซ์ เจ.เอ.โลกที่หลากหลายของไรโบ-นิวคลีโอโปรตีนขนาดเล็ก // The RNA World / Eds เกสเตแลนด์ อาร์.เอฟ. และแอตกินส์ เจ.เอฟ. นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์ห้องปฏิบัติการ Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor, 1993, หน้า 359-381 9. ครูเกอร์ เค., กราโบวสกี พีเจ., ซอก เอเจ. และคณะ Self-splicing RNA: การตัดออกอัตโนมัติและการทำให้เป็นไซคลิกอัตโนมัติของลำดับการแทรกแซงของไรโบโซม RNA เทตราฮิมีนา//เซลล์. พ.ศ. 2525 ว. 31. หน้า 147-157. 10. Guerrier-Takada S. , Gardiner K. , Marsh T. และคณะ RNA moiety ของไรโบนิวคลีเอส P คือหน่วยย่อยของตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ // เซลล์ พ.ศ. 2526 ว. 35. หน้า 849-857. 11. โอภารินทร์ เอ.ไอ.ต้นกำเนิดของชีวิต. อ.: คนงานมอสโก 2467 12. โอภารินทร์ เอ.ไอ.การเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตบนโลก (ฉบับที่ 3) อ.: สำนักพิมพ์ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียต, 2500 13. โวส เอส.วิวัฒนาการของรหัสพันธุกรรม // รหัสพันธุกรรม. นิวยอร์ก: Harper & Row, 1967. หน้า 179-195. 14. คริก เอฟ.เอช.ซี.ที่มาของรหัสพันธุกรรม // วารสารอณูชีววิทยา. พ.ศ. 2511 V. 38. P. 367-379. 15. ออร์เจล แอล.อี.วิวัฒนาการของอุปกรณ์ทางพันธุกรรม // วารสารชีววิทยาโมเลกุล. พ.ศ. 2511 V. 38. P. 381-393. 16. กิลเบิร์ต ดับเบิลยู.โลกอาร์เอ็นเอ // ธรรมชาติ พ.ศ. 2529 วี 319 หน้า 618 17. จอยซ์ จี.เอฟ., ออร์เจล แอล.อี.อนาคตในการทำความเข้าใจต้นกำเนิดของโลก RNA // The RNA World / Eds เกสเตแลนด์ อาร์.เอฟ. และแอตกินส์ เจ.เอฟ.นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์ห้องปฏิบัติการ Cold Spring Harbor, Cold Spring Harbor, 1993 หน้า 1-25 18. Chetverina H.V., Demidenko A.A., Ugarov V.I., Chetverin A.B.การจัดเรียงใหม่ตามธรรมชาติในลำดับ RNA // จดหมาย FEBS 2542 V. 450 หน้า 89-94. 19. Bartel D.P., Szostak J.W.การแยกไรโบไซม์ใหม่ออกจากลำดับสุ่มขนาดใหญ่ // วิทยาศาสตร์ พ.ศ. 2536 โวลต์ 261 หน้า 1411-1418 20. เอคแลนด์ อี.เอช., บาร์เทล ดี.พี. RNA โพลีเมอไรเซชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วย RNA โดยใช้นิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟต // ธรรมชาติ พ.ศ. 2539 โวลต์ 382 หน้า 373-376 21. ออร์เจล แอล.อี.ต้นกำเนิดของชีวิต - ทบทวนข้อเท็จจริงและการคาดเดา //แนวโน้มทางวิทยาศาสตร์ชีวเคมี. 2541 ว.23.น. 491-495. 22. อัลท์ชไตน์ เอ.ดี.ต้นกำเนิดของระบบพันธุกรรม: สมมติฐานของกำเนิด // อณูชีววิทยา 1987 ต. 21. หน้า 309-322.
การสังเคราะห์โปรตีน
เมแทบอลิซึมของพลาสติก (การดูดซึมหรือแอแนบอลิซึม) เป็นชุดของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีววิทยา ชื่อของการแลกเปลี่ยนประเภทนี้สะท้อนให้เห็นถึงสาระสำคัญ: จากสารที่เข้าสู่เซลล์จากภายนอกจะเกิดสารที่คล้ายกับสารของเซลล์
ลองพิจารณารูปแบบที่สำคัญที่สุดรูปแบบหนึ่งของเมแทบอลิซึมของพลาสติกนั่นคือการสังเคราะห์โปรตีน การสังเคราะห์โปรตีนดำเนินการในเซลล์โปรและยูคาริโอตทั้งหมด ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างปฐมภูมิ (ลำดับกรดอะมิโน) ของโมเลกุลโปรตีนจะถูกเข้ารหัสโดยลำดับของนิวคลีโอไทด์ในส่วนที่เกี่ยวข้องของโมเลกุล DNA ซึ่งก็คือยีน
ยีนเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุล DNA ที่กำหนดลำดับของกรดอะมิโนในโมเลกุลโปรตีน ดังนั้นลำดับของกรดอะมิโนในโพลีเปปไทด์จึงขึ้นอยู่กับลำดับของนิวคลีโอไทด์ในยีนนั่นคือ โครงสร้างหลักซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้าง คุณสมบัติ และหน้าที่อื่นๆ ของโมเลกุลโปรตีนตามลำดับ
ระบบการบันทึกข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA (และ RNA) ในรูปแบบของลำดับนิวคลีโอไทด์เฉพาะเรียกว่ารหัสพันธุกรรม เหล่านั้น. หน่วยของรหัสพันธุกรรม (โคดอน) คือนิวคลีโอไทด์สามกลุ่มใน DNA หรือ RNA ที่สร้างรหัสสำหรับกรดอะมิโนหนึ่งตัว
โดยรวมแล้ว รหัสพันธุกรรมประกอบด้วย 64 โคดอน โดย 61 รหัสเป็นรหัส และ 3 รหัสเป็นรหัสที่ไม่เข้ารหัส (รหัสเทอร์มิเนเตอร์บ่งชี้การสิ้นสุดกระบวนการแปล)
รหัสเทอร์มิเนเตอร์ใน i - RNA: UAA, UAG, UGA, ใน DNA: ATT, ATC, ACT
จุดเริ่มต้นของกระบวนการแปลถูกกำหนดโดยรหัสตัวเริ่มต้น (AUG ใน DNA - TAC) ซึ่งเข้ารหัสกรดอะมิโนเมไทโอนีน โคดอนนี้เป็นรหัสแรกที่เข้าไปในไรโบโซม ต่อจากนั้น หากไม่ได้จัดให้มีเมไทโอนีนเป็นกรดอะมิโนตัวแรกของโปรตีนที่กำหนด ก็จะถูกแยกออก
รหัสพันธุกรรมมีคุณสมบัติเป็นลักษณะเฉพาะ
1. ความเป็นสากล - รหัสเหมือนกันสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด แฝดกลุ่มเดียวกัน (โคดอน) ในรหัสสิ่งมีชีวิตใดๆ สำหรับกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน
2. ความจำเพาะ - แต่ละโคดอนเข้ารหัสกรดอะมิโนเพียงตัวเดียวเท่านั้น
3. ความเสื่อม - กรดอะมิโนส่วนใหญ่สามารถเข้ารหัสได้ด้วยรหัสหลายตัว ข้อยกเว้นคือกรดอะมิโน 2 ตัว ได้แก่ เมไทโอนีนและทริปโตเฟนซึ่งมีรหัสโคดอนเพียงตัวเดียว
4. ระหว่างยีนมี "เครื่องหมายวรรคตอน" - สามแฝดพิเศษ (UAA, UAG, UGA) ซึ่งแต่ละอันบ่งบอกถึงการหยุดการสังเคราะห์ของสายโซ่โพลีเปปไทด์
5. ไม่มี “เครื่องหมายวรรคตอน” ภายในยีน
ในการที่จะสังเคราะห์โปรตีนได้ ข้อมูลเกี่ยวกับลำดับนิวคลีโอไทด์ในโครงสร้างปฐมภูมิจะต้องถูกส่งไปยังไรโบโซม กระบวนการนี้ประกอบด้วยสองขั้นตอน - การถอดเสียงและการแปล
การถอดเสียงข้อมูล (การเขียนใหม่) เกิดขึ้นโดยการสังเคราะห์บนหนึ่งในสายโซ่ของโมเลกุล DNA ซึ่งเป็นโมเลกุล RNA ที่มีเกลียวเดี่ยว ลำดับนิวคลีโอไทด์ซึ่งตรงกับลำดับนิวคลีโอไทด์ของเมทริกซ์ทุกประการ - สายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์ของ DNA
มัน (และ - RNA) เป็นตัวกลางที่ส่งข้อมูลจาก DNA ไปยังบริเวณที่ประกอบโมเลกุลโปรตีนในไรโบโซม การสังเคราะห์ i-RNA (การถอดความ) เกิดขึ้นดังนี้ เอนไซม์ (RNA polymerase) จะแยกสาย DNA สองเส้นออก และนิวคลีโอไทด์ของ RNA จะเรียงตัวอยู่บนสายโซ่สายใดสายหนึ่ง (การเข้ารหัส) ตามหลักการของการเสริมกัน โมเลกุล RNA สังเคราะห์ด้วยวิธีนี้ (การสังเคราะห์เทมเพลต) เข้าสู่ไซโตพลาสซึม และหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็กจะพันกันที่ปลายด้านหนึ่ง
ขั้นตอนที่สองในการสังเคราะห์โปรตีนคือ ออกอากาศ- คือการแปลลำดับของนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุลและ - RNA ไปเป็นลำดับของกรดอะมิโนในโพลีเปปไทด์ ในโปรคาริโอตที่ไม่มีนิวเคลียสที่ก่อตัวขึ้น ไรโบโซมสามารถจับกับโมเลกุลที่สังเคราะห์ใหม่และ - RNA ได้ทันทีหลังจากที่แยกจาก DNA หรือแม้แต่ก่อนที่การสังเคราะห์จะเสร็จสมบูรณ์ด้วยซ้ำ ในยูคาริโอต RNA จะต้องถูกส่งผ่านซองนิวเคลียร์เข้าสู่ไซโตพลาสซึมก่อน การถ่ายโอนจะดำเนินการโดยโปรตีนพิเศษที่ก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนกับโมเลกุล RNA นอกเหนือจากฟังก์ชันการถ่ายโอนแล้ว โปรตีนเหล่านี้ยังช่วยปกป้องและ - RNA จากผลเสียหายของเอนไซม์ไซโตพลาสซึม
ในพลาสซึมของไซโตพลาสซึม ไรโบโซมจะเข้าสู่ปลายด้านหนึ่งของ RNA (กล่าวคือส่วนที่เริ่มต้นการสังเคราะห์โมเลกุลในนิวเคลียส) และการสังเคราะห์โพลีเปปไทด์เริ่มต้นขึ้น ขณะที่มันเคลื่อนตัวลงมาตามโมเลกุล RNA ไรโบโซมจะแปลแฝดสามตัวแล้วแฝดสาม โดยเติมกรดอะมิโนตามลำดับที่ปลายสายพอลิเปปไทด์ที่กำลังเติบโต การจับคู่ที่ตรงกันทุกประการของกรดอะมิโนกับรหัสของแฝดและ - RNA นั้นรับประกันโดย t - RNA
ถ่ายโอน RNA (tRNA) “นำ” กรดอะมิโนไปยังหน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซม โมเลกุล tRNA มีโครงสร้างที่ซับซ้อน ในบางส่วนของพันธะไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นระหว่างนิวคลีโอไทด์เสริม และโมเลกุลมีรูปร่างเหมือนใบโคลเวอร์ ที่ด้านบนสุดจะมีนิวคลีโอไทด์อิสระสามชุด (แอนติโคดอน) ซึ่งสอดคล้องกับกรดอะมิโนจำเพาะและฐานทำหน้าที่เป็นจุดเกาะติดของกรดอะมิโนนี้ (รูปที่ 1)
ข้าว. 1. โครงการโครงสร้างการถ่ายโอน RNA: 1 - พันธะไฮโดรเจน; 2 - แอนติโคดอน; 3 - ตำแหน่งของสิ่งที่แนบมากับกรดอะมิโน
tRNA แต่ละตัวสามารถบรรทุกกรดอะมิโนของตัวเองได้เท่านั้น T-RNA ถูกกระตุ้นโดยเอนไซม์พิเศษ โดยยึดกรดอะมิโนและขนส่งไปยังไรโบโซม ภายในไรโบโซมจะมีรหัส mRNA เพียงสองตัวเท่านั้น หากแอนติโคดอนของ t-RNA เป็นส่วนเสริมของโคดอน i-RNA แสดงว่า t-RNA ที่มีกรดอะมิโนติดอยู่กับ i-RNA ชั่วคราว tRNA ที่สองติดอยู่กับโคดอนตัวที่สองซึ่งมีกรดอะมิโนอยู่ กรดอะมิโนตั้งอยู่คู่กันในหน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซม และด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ พันธะเปปไทด์จึงถูกสร้างขึ้นระหว่างพวกมัน ในเวลาเดียวกัน พันธะระหว่างกรดอะมิโนตัวแรกกับ t-RNA ของมันจะถูกทำลาย และ t-RNA จะออกจากไรโบโซมตามกรดอะมิโนตัวถัดไป ไรโบโซมจะเคลื่อนที่สามแฝดหนึ่งและกระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำ ด้วยวิธีนี้โมเลกุลโพลีเปปไทด์จะค่อยๆถูกสร้างขึ้นโดยที่กรดอะมิโนจะถูกจัดเรียงอย่างเคร่งครัดตามลำดับของแฝดที่เข้ารหัส (การสังเคราะห์เมทริกซ์) (รูปที่ 2)
ข้าว. 2. โครงการสังเคราะห์โปรตีน: 1 - mRNA; 2 - หน่วยย่อยไรโบโซม; 3 - tRNA พร้อมกรดอะมิโน 4 - tRNA ที่ไม่มีกรดอะมิโน 5 - โพลีเปปไทด์; 6 - รหัส mRNA; 7- แอนติโคดอนของ tRNA
ไรโบโซมหนึ่งตัวสามารถสังเคราะห์สายพอลิเปปไทด์ที่สมบูรณ์ได้ อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้งไรโบโซมหลายตัวเคลื่อนที่ไปตามโมเลกุล mRNA หนึ่งโมเลกุล สารเชิงซ้อนดังกล่าวเรียกว่าโพลีไรโบโซม หลังจากการสังเคราะห์เสร็จสิ้น สายโซ่โพลีเปปไทด์จะถูกแยกออกจากเมทริกซ์ - โมเลกุล mRNA ซึ่งพับเป็นเกลียวและรับโครงสร้างลักษณะเฉพาะ (ทุติยภูมิ ตติยภูมิ หรือควอเทอร์นารี) ไรโบโซมทำงานอย่างมีประสิทธิภาพมาก ภายใน 1 วินาที ไรโบโซมจากแบคทีเรียจะก่อตัวเป็นสายโซ่โพลีเปปไทด์ที่มีกรดอะมิโน 20 ตัว
การสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์เป็นลำดับของปฏิกิริยาประเภทเมทริกซ์ ในระหว่างนั้นการถ่ายโอนข้อมูลทางพันธุกรรมตามลำดับจากโมเลกุลประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของโพลีเปปไทด์ที่มีโครงสร้างที่กำหนดทางพันธุกรรม
การสังเคราะห์โปรตีนเป็นขั้นตอนเริ่มต้นของการรับรู้หรือการแสดงออกของข้อมูลทางพันธุกรรม กระบวนการเมทริกซ์หลักที่รับประกันการสังเคราะห์โปรตีนรวมถึงการถอดรหัส DNA และการแปล mRNA การถอดรหัส DNA เกี่ยวข้องกับการคัดลอกข้อมูลจาก DNA ไปยัง mRNA (ผู้ส่งสารหรือผู้ส่งสาร RNA) การแปล mRNA เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนข้อมูลจาก mRNA ไปยังโพลีเปปไทด์ ลำดับของปฏิกิริยาเมทริกซ์ระหว่างการสังเคราะห์โปรตีนสามารถแสดงได้ในรูปของแผนภาพ
สาย DNA ที่ไม่ได้ถูกถอดความ
สายดีเอ็นเอที่ถูกถอดความ
การถอดรหัสดีเอ็นเอ
รหัส mRNA
การแปล mRNA
แอนติโคดอนของ tRNA
กรดอะมิโนโปรตีน
เมไทโอนีน
แผนภาพแสดงให้เห็นว่าข้อมูลทางพันธุกรรมเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตีนถูกจัดเก็บเป็นลำดับของ DNA แฝดสาม ในกรณีนี้ สายโซ่ DNA เพียงสายเดียวเท่านั้นที่ทำหน้าที่เป็นเทมเพลตสำหรับการถอดรหัส (สายโซ่ดังกล่าวเรียกว่าการถอดเสียง) สายที่สองเป็นส่วนเสริมของสายที่ถอดความและไม่มีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ mRNA
โมเลกุล mRNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โพลีเปปไทด์บนไรโบโซม mRNA แฝดสามที่มีรหัสสำหรับกรดอะมิโนจำเพาะเรียกว่าโคดอน โมเลกุล tRNA มีส่วนร่วมในการแปล โมเลกุล tRNA แต่ละตัวมีแอนติโคดอน ซึ่งเป็นสารสามตัวในการจดจำซึ่งลำดับนิวคลีโอไทด์เป็นส่วนเสริมของโคดอน mRNA ที่จำเพาะ โมเลกุล tRNA แต่ละตัวสามารถบรรทุกกรดอะมิโนที่กำหนดอย่างเคร่งครัด การรวมกันของ tRNA กับกรดอะมิโนเรียกว่า aminoacyl-tRNA
โครงสร้างทั่วไปของโมเลกุล tRNA มีลักษณะคล้ายใบโคลเวอร์บนก้านใบ ส่วน "ยอดใบ" มีสารแอนติโคดอน tRNA มี 61 ชนิดที่มีแอนติโคดอนต่างกัน กรดอะมิโนติดอยู่ที่ "ก้านใบ" (มีกรดอะมิโน 20 ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โพลีเปปไทด์บนไรโบโซม) โมเลกุล tRNA แต่ละตัวที่มีแอนติโคดอนจำเพาะจะสอดคล้องกับกรดอะมิโนที่กำหนดอย่างเคร่งครัด ในเวลาเดียวกัน กรดอะมิโนบางชนิดมักจะสอดคล้องกับ tRNA หลายประเภทที่มีแอนติโคดอนต่างกัน กรดอะมิโนถูกยึดติดโควาเลนต์กับ tRNA โดยใช้เอนไซม์ - การสังเคราะห์อะมิโนอะซิล-tRNA ปฏิกิริยานี้เรียกว่า tRNA aminoacylation
บนไรโบโซม แอนติโคดอนของโมเลกุลอะมิโนเอซิล-tRNA ที่เกี่ยวข้องจะติดอยู่กับโคดอนเฉพาะของ mRNA โดยใช้โปรตีนเฉพาะ การจับกันของ mRNA และ aminoacyl-tRNA นี้เรียกว่าขึ้นอยู่กับโคดอน บนไรโบโซม กรดอะมิโนเชื่อมต่อกันโดยใช้พันธะเปปไทด์ และโมเลกุล tRNA ที่ปล่อยออกมาจะไปค้นหากรดอะมิโนอิสระ
ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับขั้นตอนหลักของการสังเคราะห์โปรตีน
ขั้นที่ 1 การถอดรหัสดีเอ็นเอ บนสาย DNA ที่ถูกถอดเสียง สาย mRNA เสริมเสร็จสมบูรณ์โดยใช้ RNA โพลีเมอเรสที่ขึ้นกับ DNA โมเลกุล mRNA เป็นสำเนาที่ถูกต้องของสายโซ่ DNA ที่ไม่ได้ถอดรหัส มีความแตกต่างตรงที่แทนที่จะเป็นดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์กลับมีไรโบนิวคลีโอไทด์ ซึ่งมียูราซิลแทนไทมีน
ขั้นที่ 2 การประมวลผล (การทำให้สุก) ของ mRNA โมเลกุล mRNA ที่สังเคราะห์แล้ว (การถอดเสียงหลัก) ผ่านการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม ในกรณีส่วนใหญ่ โมเลกุล mRNA ดั้งเดิมจะถูกตัดเป็นชิ้นส่วนแต่ละชิ้น ชิ้นส่วนบางชิ้น - อินตรอน - ถูกแยกออกเป็นนิวคลีโอไทด์ ในขณะที่ชิ้นส่วนอื่น ๆ - เอ็กซอน - ถูกต่อเข้าด้วยกันเป็น mRNA ที่เจริญเต็มที่ กระบวนการเชื่อมต่อเอ็กซอนแบบ "ไม่มีนอต" เรียกว่า ประกบกัน
การประกบกันเป็นลักษณะของยูคาริโอตและอาร์คีแบคทีเรีย แต่บางครั้งก็เกิดขึ้นในโปรคาริโอต การประกบมีหลายประเภท สาระสำคัญของการต่อรอยทางเลือกคือบริเวณเดียวกันของ mRNA ดั้งเดิมสามารถเป็นได้ทั้งอินตรอนและเอ็กซอน จากนั้นบริเวณ DNA เดียวกันจะสอดคล้องกับ mRNA ที่เจริญเต็มที่หลายประเภท และสอดคล้องกับรูปแบบที่แตกต่างกันหลายรูปแบบของโปรตีนเดียวกัน สาระสำคัญของการต่อเชื่อมแบบทรานส์คือการรวมตัวของเอ็กซอนที่ถูกเข้ารหัสโดยยีนต่างๆ (บางครั้งถึงกับมาจากโครโมโซมที่ต่างกัน) ให้เป็นโมเลกุล mRNA ที่เจริญเต็มที่เพียงโมเลกุลเดียว
ด่าน 3 คำแปลของ mRNA การแปล (เช่นเดียวกับกระบวนการเมทริกซ์ทั้งหมด) ประกอบด้วยสามขั้นตอน: การเริ่มต้น (เริ่มต้น) การยืดตัว (ต่อเนื่อง) และสิ้นสุด (สิ้นสุด)
การเริ่มต้น สาระสำคัญของการเริ่มต้นคือการก่อตัวของพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนสองตัวแรกของโพลีเปปไทด์
ในขั้นแรกจะเกิดคอมเพล็กซ์การเริ่มต้นขึ้นซึ่งรวมถึง: หน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็ก, โปรตีนเฉพาะ (ปัจจัยการเริ่มต้น) และตัวริเริ่มพิเศษ methionine tRNA พร้อมด้วยกรดอะมิโน methionine - Met-tRNAMet คอมเพล็กซ์การเริ่มต้นจดจำจุดเริ่มต้นของ mRNA เกาะติดกับมัน และเลื่อนไปยังจุดเริ่มต้น (จุดเริ่มต้น) ของการสังเคราะห์โปรตีน ในกรณีส่วนใหญ่ นี่คือรหัสเริ่มต้น AUG ระหว่างรหัสเริ่มต้นของ mRNA และแอนติโคดอนของเมไทโอนีน tRNA การจับที่ขึ้นกับโคดอนจะเกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน จากนั้นสิ่งที่แนบมาของหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดใหญ่ก็เกิดขึ้น
เมื่อหน่วยย่อยรวมกัน จะเกิดไรโบโซมที่สมบูรณ์ขึ้น ซึ่งมีจุดศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่ 2 จุด (ไซต์) ได้แก่ ไซต์ A (อะมิโนเอซิล ซึ่งทำหน้าที่ยึดเกาะอะมิโนเอซิล-tRNA) และไซต์ P (เปปติดิล ทรานสเฟอเรส ซึ่งทำหน้าที่สร้างพันธะเปปไทด์ระหว่าง กรดอะมิโน).
ในตอนแรก Met-tRNAMet จะอยู่ที่ไซต์ A แต่จากนั้นจะย้ายไปยังไซต์ P ไซต์ A ที่ปล่อยออกมาจะได้รับ aminoacyl-tRNA พร้อมด้วยแอนติโคดอน ซึ่งเป็นส่วนเสริมของโคดอน mRNA ที่ตามหลังโคดอน AUG ในตัวอย่างของเรา นี่คือ Gly-tRNAGly ที่มีแอนติโคดอน CCG ซึ่งเป็นส่วนเสริมของโคดอน HGC จากผลของการจับที่ขึ้นกับโคดอน พันธะไฮโดรเจนจึงเกิดขึ้นระหว่างโคดอน mRNA และแอนติโคดอนของอะมิโนเอซิล-tRNA ดังนั้นกรดอะมิโนสองตัวจึงปรากฏอยู่ใกล้ ๆ บนไรโบโซม ซึ่งระหว่างนั้นจะมีพันธะเปปไทด์เกิดขึ้น พันธะโควาเลนต์ระหว่างกรดอะมิโนตัวแรก (เมไทโอนีน) และ tRNA ของมันจะถูกทำลาย
หลังจากการสร้างพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนสองตัวแรก ไรโบโซมจะเลื่อนไปหนึ่งแฝด เป็นผลให้การโยกย้าย (การเคลื่อนไหว) ของตัวริเริ่ม methionine tRNAMet เกิดขึ้นนอกไรโบโซม พันธะไฮโดรเจนระหว่างโคดอนเริ่มต้นและแอนติโคดอนของ tRNA เริ่มต้นถูกทำลาย เป็นผลให้ tRNAMet อิสระถูกแยกออกและค้นหากรดอะมิโนของมัน
tRNA ตัวที่สองร่วมกับกรดอะมิโน (ในตัวอย่างของเราคือ Gly-tRNAGly) ซึ่งเป็นผลมาจากการโยกย้าย ไปสิ้นสุดที่ไซต์ P และไซต์ A จะถูกปล่อยออกมา
การยืดตัว สาระสำคัญของการยืดตัวคือการเติมกรดอะมิโนที่ตามมาซึ่งก็คือส่วนขยายของสายโซ่โพลีเปปไทด์ วงจรการทำงานของไรโบโซมในระหว่างการยืดตัวประกอบด้วยสามขั้นตอน: การจับ mRNA และอะมิโนเอซิล-tRNA ที่ขึ้นอยู่กับโคดอนที่ตำแหน่ง A การสร้างพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนและสายโซ่โพลีเปปไทด์ที่กำลังเติบโต และการโยกย้ายพร้อมกับการปล่อย เว็บไซต์
ไซต์ A ที่ว่างจะได้รับ aminoacyl-tRNA พร้อมด้วย anticodon ที่สอดคล้องกับ codon ถัดไปของ mRNA (ในตัวอย่างของเรา นี่คือ Tyr-tRNATyr ที่มี anticodon AUA ซึ่งเป็นส่วนเสริมของ codon UAA)
บนไรโบโซมจะมีกรดอะมิโนสองตัวอยู่ใกล้ๆ ซึ่งระหว่างนั้นจะมีพันธะเปปไทด์เกิดขึ้น การเชื่อมต่อระหว่างกรดอะมิโนก่อนหน้านี้กับ tRNA (ในตัวอย่างของเราระหว่าง glycine และ tRNAGly) ขาดหายไป
จากนั้นไรโบโซมจะถูกแทนที่ด้วยแฝดอีกตัวหนึ่ง และผลจากการโยกย้าย tRNA ที่อยู่ที่ไซต์ P (ในตัวอย่างของเรา tRNAGly) ไปสิ้นสุดที่ด้านนอกไรโบโซมและถูกแยกออกจาก mRNA ไซต์ A ได้รับการเผยแพร่ และวงจรการทำงานของไรโบโซมเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง
การสิ้นสุด ประกอบด้วยการสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์ให้เสร็จสิ้น
ในที่สุดไรโบโซมจะไปถึงโคดอน mRNA ที่ไม่ตรงกับ tRNA (หรือกรดอะมิโน) ใด ๆ มีรหัสไร้สาระสามแบบ: UAA (“ ochre”), UAG (“ อำพัน”), UGA (“ โอปอล”) ที่โคดอน mRNA เหล่านี้ วงจรการทำงานของไรโบโซมจะถูกขัดจังหวะ และการเติบโตของโพลีเปปไทด์จะหยุดลง ไรโบโซมภายใต้อิทธิพลของโปรตีนบางชนิดจะถูกแบ่งออกเป็นหน่วยย่อยอีกครั้ง
การดัดแปลงโปรตีน โดยทั่วไป โพลีเปปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นจะผ่านการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเพิ่มเติม โมเลกุลดั้งเดิมสามารถตัดเป็นชิ้น ๆ แยกกันได้ จากนั้นชิ้นส่วนบางส่วนจะถูกเชื่อมโยงข้ามส่วนส่วนอื่น ๆ จะถูกไฮโดรไลซ์เป็นกรดอะมิโน โปรตีนเชิงเดี่ยวสามารถรวมกับสารหลายชนิดเพื่อสร้างไกลโคโปรตีน ไลโปโปรตีน เมทัลโลโปรตีน โครโมโปรตีน และโปรตีนเชิงซ้อนอื่นๆ นอกจากนี้กรดอะมิโนที่มีอยู่ในโพลีเปปไทด์สามารถผ่านการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้ ตัวอย่างเช่น กรดอะมิโนโพรลีนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนโปรคอลลาเจน จะถูกออกซิไดซ์เป็นไฮดรอกซีโพรลีน เป็นผลให้คอลลาเจนถูกสร้างขึ้นจากโปรคอลลาเจนซึ่งเป็นส่วนประกอบโปรตีนหลักของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน
ปฏิกิริยาการปรับเปลี่ยนโปรตีนไม่ใช่ปฏิกิริยาแบบเทมเพลต ปฏิกิริยาทางชีวเคมีดังกล่าวเรียกว่าขั้นตอน
พลังงานของการสังเคราะห์โปรตีน การสังเคราะห์โปรตีนเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก เมื่ออะมิโนอะซิลเลชั่นของ tRNA พลังงานของพันธะหนึ่งของโมเลกุล ATP ถูกใช้ไปในระหว่างการจับกับโคดอนของอะมิโนอะซิล-tRNA ซึ่งเป็นพลังงานของพันธะหนึ่งของโมเลกุล GTP เมื่อเคลื่อนที่ไรโบโซมด้วยแฝดสามตัว - พลังงานของพันธะเดียว ของโมเลกุล GTP อีกโมเลกุลหนึ่ง เป็นผลให้ใช้เวลาประมาณ 90 กิโลจูล/โมลถูกใช้ไปกับการติดกรดอะมิโนเข้ากับสายโซ่โพลีเปปไทด์ เมื่อพันธะเปปไทด์ถูกไฮโดรไลซ์ จะปล่อยสารออกมาเพียง 2 kJ/mol ดังนั้นในระหว่างการสังเคราะห์ทางชีวภาพ พลังงานส่วนใหญ่จึงสูญเสียไปอย่างถาวร (กระจายไปเป็นความร้อน)
รหัสพันธุกรรมคุณสมบัติหลัก
ในระหว่างปฏิกิริยาการสังเคราะห์เมทริกซ์ โพลีเปปไทด์ที่มีโครงสร้างที่กำหนดโดยกรรมพันธุ์จะถูกสังเคราะห์ตามรหัสพันธุกรรม DNA ชิ้นหนึ่งที่มีข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของโพลีเปปไทด์จำเพาะเรียกว่ายีน
อย่างไรก็ตาม, ยีน - นี่ไม่ได้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของ DNA แต่เป็นหน่วยของข้อมูลทางพันธุกรรมซึ่งมีพาหะคือกรดนิวคลีอิก เป็นที่ยอมรับแล้วว่ายีนมีโครงสร้างที่ซับซ้อน
ในกรณีส่วนใหญ่ ขอบเขตการเข้ารหัส (exons) จะถูกคั่นด้วยขอบเขตที่ไม่เข้ารหัส (อินตรอน) ในเวลาเดียวกัน ต้องขอบคุณการต่อแบบอื่น การแบ่งส่วน DNA ออกเป็นการเข้ารหัสและการไม่เข้ารหัสกลายเป็นแบบมีเงื่อนไข บางส่วนของ DNA สามารถเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กัน - เรียกว่าองค์ประกอบทางพันธุกรรมแบบเคลื่อนที่ (MGE) ยีนจำนวนมากถูกแทนด้วยสำเนาหลายชุด จากนั้นโปรตีนชนิดเดียวกันนั้นจะถูกเข้ารหัสโดยส่วนต่างๆ ของ DNA ข้อมูลทางพันธุกรรมของไวรัสมีการเข้ารหัสที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ส่วนมากมียีนที่ทับซ้อนกัน: ส่วนเดียวกันของ DNA สามารถคัดลอกมาจากจุดเริ่มต้นที่ต่างกันได้
กระบวนการแสดงออกของยีนมีความยืดหยุ่น: ส่วนหนึ่งของ DNA สามารถสอดคล้องกับโพลีเปปไทด์หลายตัวได้ โพลีเปปไทด์หนึ่งตัวสามารถเข้ารหัสได้โดยส่วนต่างๆ ของ DNA การปรับเปลี่ยนโปรตีนขั้นสุดท้ายเกิดขึ้นได้ด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์ ซึ่งถูกเข้ารหัสโดยส่วนต่างๆ ของ DNA
คุณสมบัติทั่วไปของรหัสพันธุกรรม
การสะท้อนของวัตถุบางอย่างโดยใช้วัตถุอื่นเรียกว่าการเข้ารหัส การสะท้อนโครงสร้างของโปรตีนในรูปของ DNA triplets เรียกว่ารหัส DNA หรือรหัสพันธุกรรม ต้องขอบคุณรหัสพันธุกรรมที่ทำให้เกิดความสอดคล้องกันระหว่างลำดับนิวคลีโอไทด์ของกรดนิวคลีอิกกับกรดอะมิโนที่ประกอบเป็นโปรตีน รหัสพันธุกรรมมีคุณสมบัติพื้นฐานดังต่อไปนี้:
1. รหัสพันธุกรรมคือแฝดสาม: กรดอะมิโนแต่ละตัวถูกเข้ารหัสโดยนิวคลีโอไทด์ของดีเอ็นเอแฝดและแฝดสามของ mRNA ในกรณีนี้ โคดอนจะไม่แยกออกจากกัน แต่อย่างใด (ไม่มี "ลูกน้ำ")
2. รหัสพันธุกรรมซ้ำซ้อน (เสื่อม): กรดอะมิโนเกือบทั้งหมดสามารถเข้ารหัสด้วยรหัสที่แตกต่างกันได้ กรดอะมิโนเพียงสองตัวเท่านั้นที่สอดคล้องกับโคดอนหนึ่งตัว: เมไทโอนีน (AUG) และทริปโตเฟน (UGG) แต่ลิวซีน ซีรีน และอาร์จินีนมีโคดอนที่แตกต่างกัน 6 ตัว
3. รหัสพันธุกรรมไม่ทับซ้อนกัน: นิวคลีโอไทด์แต่ละคู่เป็นของโคดอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น (พบข้อยกเว้นในไวรัส)
4. รหัสพันธุกรรมเหมือนกันสำหรับระบบทางชีววิทยาส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้น เช่น ใน ciliates และใน mitochondria ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ ดังนั้นรหัสพันธุกรรมจึงเรียกว่ากึ่งสากล
