معلومة

8.4: أصل الشفرة الجينية - علم الأحياء

8.4: أصل الشفرة الجينية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هناك عدد من الفرضيات حول كيفية نشوء الشفرة الجينية. ما توضحه هذه الاختلافات في الشفرة الجينية هو أن الآليات التطورية يمكن أن تغير الشفرة الجينية234. يبدو أن الكود الجيني هو سمة متجانسة بين الكائنات الحية.


يتكون الكود الجيني من 64 ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات. تسمى هذه الثلاثيات الكودونات ، مع وجود ثلاثة استثناءات ، يشفر كل كودون لواحد من الأحماض الأمينية العشرين المستخدمة في تخليق البروتينات. ينتج عن ذلك بعض التكرار في الكود: يتم تشفير معظم الأحماض الأمينية بأكثر من كودون واحد.

الكود الجيني هو مجموعة القواعد التي يتم من خلالها ترجمة المعلومات المشفرة في المادة الجينية (تسلسل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي) إلى بروتينات (تسلسل الأحماض الأمينية) بواسطة الخلايا الحية.

وُجد أن الشفرة الجينية ، التي كان يُعتقد أنها متطابقة في جميع أشكال الحياة ، تتباعد قليلاً في بعض الكائنات الحية وفي الميتوكوندريا لبعض حقيقيات النوى. ومع ذلك ، فإن هذه الاختلافات نادرة ، والشفرة الجينية متطابقة في جميع الأنواع تقريبًا ، مع نفس الكودونات التي تحدد نفس الأحماض الأمينية.


محتويات

بدأت الجهود لفهم كيفية تشفير البروتينات بعد اكتشاف بنية الحمض النووي في عام 1953. افترض جورج جامو أنه يجب استخدام مجموعات من ثلاث قواعد لتشفير 20 من الأحماض الأمينية القياسية التي تستخدمها الخلايا الحية لبناء البروتينات ، مما يسمح بحد أقصى 4 أحماض أمينية 3 = 64 حمض أميني. [3]

تحرير Codons

أظهرت تجربة كريك وبرينر وبارنيت وواتس توبين أولاً أن الكودونات تتكون من ثلاث قواعد للحمض النووي. كان مارشال نيرنبرغ وهاينريش ج. ماتاي أول من كشف عن طبيعة أحد الكودون في عام 1961. [4]

استخدموا نظامًا خاليًا من الخلايا لترجمة تسلسل الحمض النووي الريبي متعدد اليوراسيل (أي UUUUU.) واكتشفوا أن البولي ببتيد الذي صنعوه يتكون من الحمض الأميني فينيل ألانين فقط. [5] وبالتالي استنتجوا أن الكودون UUU حدد الحمض الأميني فينيل ألانين.

تبع ذلك تجارب في مختبر Severo Ochoa والتي أظهرت أن تسلسل الحمض النووي الريبي متعدد الأدينين (AAAAA.) مشفر لـ polypeptide poly-lysine [6] وأن تسلسل poly-cytosine RNA (CCCCC.) مشفر لـ polypeptide poly- برولين. [7] لذلك ، حدد الكودون AAA الحمض الأميني ليسين ، وحدد كودون CCC برولين الأحماض الأمينية. باستخدام البوليمرات المختلفة ، تم تحديد معظم الكودونات المتبقية.

حدد العمل اللاحق لـ Har Gobind Khorana بقية الشفرة الجينية. بعد ذلك بوقت قصير ، حدد روبرت دبليو هولي بنية نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، وهو جزيء محول يسهل عملية ترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين. استند هذا العمل إلى دراسات Ochoa السابقة ، مما منح الأخير جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1959 للعمل على إنزيمات تخليق الحمض النووي الريبي. [8]

لتوسيع هذا العمل ، كشف Nirenberg و Philip Leder عن طبيعة الشفرة ثلاثية الأبعاد وفكوا رموز أكوادها. في هذه التجارب ، تم تمرير توليفات مختلفة من الرنا المرسال عبر مرشح يحتوي على الريبوسومات ، وهي مكونات الخلايا التي تحول الحمض النووي الريبي إلى بروتين. عززت ثلاثة توائم فريدة من ارتباط جزيئات الحمض الريبي النووي الريبوزي (tRNAs) المحددة بالريبوسوم. تمكن ليدر ونيرنبرغ من تحديد تسلسل 54 من أصل 64 كودون في تجاربهم. [9] حصل كل من خورانا وهولي ونيرنبرغ على جائزة نوبل عام 1968 عن عملهم. [10]

تم تسمية رموز التوقف الثلاثة من قبل المكتشفين ريتشارد إبستين وتشارلز شتاينبرغ. تم تسمية "Amber" على اسم صديقهم Harris Bernstein ، والذي يعني اسمه الأخير "Amber" باللغة الألمانية. [11] تم تسمية كودون التوقف الأخريين بـ "ocher" و "opal" من أجل الحفاظ على موضوع "أسماء الألوان".

الرموز الجينية الموسعة (البيولوجيا التركيبية) تحرير

في جمهور أكاديمي واسع ، يُقبل على نطاق واسع مفهوم تطور الشفرة الجينية من الشفرة الجينية الأصلية والغامضة إلى كود محدد جيدًا ("مجمّد") مع ذخيرة من 20 (+2) من الأحماض الأمينية الأساسية. [12] ومع ذلك ، هناك آراء ومفاهيم ومقاربات وأفكار مختلفة ، وهي أفضل طريقة لتغييرها بشكل تجريبي. حتى النماذج المقترحة تتنبأ بـ "نقاط الدخول" لغزو الأحماض الأمينية الاصطناعية للشفرة الجينية. [13]

منذ عام 2001 ، تمت إضافة 40 من الأحماض الأمينية غير الطبيعية إلى البروتين عن طريق إنشاء كودون فريد (إعادة ترميز) وما يقابله من نقل- RNA: aminoacyl - tRNA-synthetase زوج لتشفيرها بخصائص فيزيائية وبيولوجية متنوعة من أجل استخدامها أداة لاستكشاف بنية البروتين ووظيفته أو لإنشاء بروتينات جديدة أو محسّنة. [14] [15]

قام H. Murakami و M. Sisido بتوسيع بعض الكودونات لتشمل أربع وخمس قواعد. أنشأ ستيفن أ.بينر وظيفيًا رقم 65 (في الجسم الحي) كودون. [16]

في عام 2015 ، أبلغ N. Budisa و D. Söll وزملاؤهم عن الاستبدال الكامل لجميع بقايا التربتوفان البالغ عددها 20،899 (أكواد UGG) مع ثينوبيرول ألانين غير طبيعي في الكود الجيني للبكتيريا الإشريكية القولونية. [17]

في عام 2016 ، تم إنشاء أول كائن حي شبه اصطناعي مستقر. كانت بكتيريا (خلية واحدة) ذات قاعدتين صناعيتين (تسمى X و Y). نجت القواعد من انقسام الخلية. [18] [19]

في عام 2017 ، أفاد باحثون في كوريا الجنوبية أنهم صمموا فأرًا بشفرة وراثية ممتدة يمكنها إنتاج بروتينات تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية. [20]

في مايو 2019 ، أبلغ الباحثون ، في جهد بارز ، عن إنشاء شكل اصطناعي جديد (ربما اصطناعي) من الحياة القابلة للحياة ، وهو نوع من البكتيريا. الإشريكية القولونية، عن طريق تقليل العدد الطبيعي لـ 64 كودون في الجينوم البكتيري إلى 59 كودونًا بدلاً من ذلك ، من أجل تشفير 20 حمضًا أمينيًا. [21] [22]

تعديل إطار القراءة

يتم تعريف إطار القراءة من خلال الثلاثية الأولية من النيوكليوتيدات التي تبدأ الترجمة منها. يحدد الإطار لمجموعة من الكودونات المتتالية غير المتداخلة ، والتي تُعرف باسم "إطار القراءة المفتوح" (ORF). على سبيل المثال ، السلسلة 5'-AAATGAACG-3 '(انظر الشكل) ، إذا تمت قراءتها من الموضع الأول ، تحتوي على الكودونات AAA و TGA و ACG إذا تمت قراءتها من الموضع الثاني ، فإنها تحتوي على الكودونات AAT و GAA وإذا تمت قراءتها من المركز الثالث ، يحتوي على الكودونات ATG و AAC. وبالتالي ، يمكن قراءة كل تسلسل في اتجاهه 5 '→ 3' في ثلاثة إطارات قراءة ، كل منها ينتج سلسلة مميزة من الأحماض الأمينية: في المثال المعطى ، Lys (K) -Trp (W) -Thr (T) ، Asn (N) -Glu (E) ، أو Met (M) -Asn (N) ، على التوالي (عند الترجمة باستخدام كود الميتوكوندريا الفقاري). عندما يكون الحمض النووي مزدوج الشريطة ، يتم تحديد ستة إطارات قراءة ممكنة ، ثلاثة في الاتجاه الأمامي على خيط واحد وثلاثة في الاتجاه المعاكس. [24]: 330 إطارًا لترميز البروتين يتم تحديدها بواسطة كودون البداية ، وعادةً ما يكون أول كودون AUG (ATG) في تسلسل الحمض النووي الريبي (DNA).

في حقيقيات النوى ، غالبًا ما يتم مقاطعة ORFs في exons بواسطة إنترونات.

بدء وإيقاف تحرير الكودونات

تبدأ الترجمة بكودون بدء السلسلة أو كود البدء. لا يكفي رمز البدء وحده لبدء العملية. التسلسلات القريبة مثل تسلسل Shine-Dalgarno في بكتريا قولونية وعوامل البدء مطلوبة أيضًا لبدء الترجمة. كودون البدء الأكثر شيوعًا هو AUG ، والذي يُقرأ على أنه ميثيونين أو ، في البكتيريا ، فورميل ميثيونين. تشتمل أكواد البدء البديلة التي تعتمد على الكائن الحي على "GUG" أو "UUG" ، وهذه الكودونات عادةً ما تمثل فالين وليوسين ، على التوالي ، ولكن ككودونات بداية تُترجم إلى ميثيونين أو فورميل ميثيونين. [25]

رموز التوقف الثلاثة لها أسماء: UAG هو العنبر، UGA هو أوبال (تسمى أحيانًا بني مصفر) ، و UAA هو أكسيد الرصاص. تسمى أكواد الإيقاف أيضًا أكواد "الإنهاء" أو "اللامعقول". إنها تشير إلى إطلاق بولي ببتيد ناشئ من الريبوسوم لأنه لا يوجد حمض نووي ريبوزي مشابه له مضادات أكودونات مكملة لإشارات التوقف هذه ، مما يسمح لعامل الإطلاق بالارتباط بالريبوسوم بدلاً من ذلك. [26]

تأثير الطفرات تحرير

أثناء عملية تكرار الحمض النووي ، تحدث أخطاء من حين لآخر في بلمرة الشريط الثاني. يمكن أن تؤثر هذه الأخطاء ، الطفرات ، على النمط الظاهري للكائن الحي ، خاصة إذا حدثت داخل تسلسل ترميز البروتين للجين. عادةً ما تكون معدلات الخطأ خطأً واحدًا في كل 10-100 مليون قاعدة - بسبب قدرة "تصحيح التجارب المطبعية" لبوليميراز الحمض النووي. [28] [29]

تعد الطفرات الخاطئة والطفرات غير المنطقية أمثلة على الطفرات النقطية التي يمكن أن تسبب أمراضًا وراثية مثل مرض الخلايا المنجلية والثلاسيميا على التوالي. [30] [31] [32] تغير الطفرات المغلوطة المهمة سريريًا بشكل عام خصائص بقايا الأحماض الأمينية المشفرة بين الحالات الأساسية أو الحمضية أو القطبية أو غير القطبية ، في حين تؤدي الطفرات غير المنطقية إلى رمز التوقف. [24]

تُعرف الطفرات التي تعطل تسلسل إطار القراءة عن طريق indels (عمليات الإدراج أو الحذف) غير المضاعفة لقواعد النوكليوتيدات الثلاثة باسم طفرات الإطارات. عادة ما تؤدي هذه الطفرات إلى ترجمة مختلفة تمامًا عن الترجمة الأصلية ، ومن المحتمل أن تتسبب في قراءة كودون توقف ، مما يؤدي إلى اقتطاع البروتين. [33] قد تؤدي هذه الطفرات إلى إضعاف وظيفة البروتين وبالتالي فهي نادرة الحدوث في الجسم الحي تسلسل ترميز البروتين. أحد أسباب ندرة وراثة طفرات انزياح الإطارات هو أنه إذا كان البروتين الذي يتم ترجمته ضروريًا للنمو تحت الضغوط الانتقائية التي يواجهها الكائن الحي ، فقد يتسبب غياب البروتين الوظيفي في الموت قبل أن يصبح الكائن الحي قابلاً للحياة. [34] قد تؤدي الطفرات الانقلابية إلى أمراض وراثية شديدة مثل مرض تاي ساكس. [35]

على الرغم من أن معظم الطفرات التي تغير تسلسل البروتين ضارة أو محايدة ، فإن بعض الطفرات لها فوائد. [36] هذه الطفرات قد تمكن الكائن الطافرة من تحمل ضغوط بيئية معينة أفضل من الكائنات البرية ، أو التكاثر بسرعة أكبر. في هذه الحالات ، تميل الطفرة إلى أن تصبح أكثر شيوعًا بين السكان من خلال الانتقاء الطبيعي. [37] الفيروسات التي تستخدم الحمض النووي الريبي كمواد جينية لديها معدلات طفرة سريعة ، [38] والتي يمكن أن تكون ميزة ، لأن هذه الفيروسات تتطور بسرعة ، وبالتالي تتجنب الاستجابات الدفاعية للجهاز المناعي. [39] في أعداد كبيرة من الكائنات الحية التكاثر اللاجنسي ، على سبيل المثال ، بكتريا قولونية، قد تحدث طفرات مفيدة متعددة. تسمى هذه الظاهرة التدخل النسيلي وتسبب التنافس بين الطفرات. [40]

تحرير الانحطاط

الانحطاط هو التكرار في الشفرة الجينية. تم إعطاء هذا المصطلح من قبل Bernfield و Nirenberg. يحتوي الكود الجيني على تكرار ولكن لا يوجد غموض (انظر جداول الكودون أدناه لمعرفة الارتباط الكامل). على سبيل المثال ، على الرغم من أن الكودونات GAA و GAG تحدد كلاهما حمض الجلوتاميك (التكرار) ، إلا أنه لا يحدد حمض أميني آخر (بدون غموض). قد تختلف الكودونات التي تشفر حمض أميني واحد في أي من مواضعها الثلاثة. على سبيل المثال ، يتم تحديد ليسين الأحماض الأمينية بواسطة صيوص أو CUن (UUA أو UUG أو CUU أو CUC أو CUA أو CUG) الكودونات (الفرق في الموضع الأول أو الثالث المشار إليه باستخدام تدوين IUPAC) ، بينما يتم تحديد سيرين الأحماض الأمينية بواسطة جامعة كاليفورنيان أو AGص (UCA ، UCG ، UCC ، UCU ، AGU ، أو AGC) الكودونات (الاختلاف في المركز الأول أو الثاني أو الثالث). [41] والنتيجة العملية للتكرار هي أن الأخطاء في الموضع الثالث من الكودون الثلاثي تسبب فقط طفرة صامتة أو خطأ لا يؤثر على البروتين لأنه يتم الحفاظ على قابلية الماء أو كره الماء عن طريق الاستبدال المكافئ للأحماض الأمينية على سبيل المثال ، كودون NUN (حيث N = أي نيوكليوتيد) يميل إلى ترميز الأحماض الأمينية الكارهة للماء. ينتج NCN مخلفات الأحماض الأمينية صغيرة الحجم ومعتدلة في المعالجة المائية ترميز NAN متوسط ​​الحجم المخلفات المحبة للماء. إن الكود الجيني منظم بشكل جيد من أجل المعالجة المائية لدرجة أن التحليل الرياضي (تحليل القيمة المفرد) لـ 12 متغيرًا (4 نيوكليوتيدات × 3 مواضع) ينتج عنه ارتباط ملحوظ (C = 0.95) للتنبؤ بالمياه المائية للحمض الأميني المشفر مباشرة من تسلسل النوكليوتيدات الثلاثي ، بدون ترجمة. [42] [43] ملاحظة في الجدول أدناه ، ثمانية أحماض أمينية لا تتأثر على الإطلاق بالطفرات في الموضع الثالث من الكودون ، بينما في الشكل أعلاه ، من المحتمل أن تسبب الطفرة في الموضع الثاني تغييرًا جذريًا في الخواص الفيزيائية والكيميائية للحمض الأميني المشفر. ومع ذلك ، فإن التغييرات في الموضع الأول من الكودونات أكثر أهمية من التغييرات في المركز الثاني على نطاق عالمي. [44] قد يكون السبب هو أن انعكاس الشحنة (من شحنة موجبة إلى سالبة أو العكس) لا يمكن أن يحدث إلا عند حدوث طفرات في الموضع الأول لكودونات معينة ، ولكن ليس عند حدوث تغييرات في الموضع الثاني لأي كودون. قد يكون لعكس الشحنة عواقب وخيمة على بنية البروتين أو وظيفته. ربما تم التقليل إلى حد كبير من هذا الجانب من خلال الدراسات السابقة. [44]

تحرير تحيز استخدام كودون

يمكن أن يختلف تواتر الكودونات ، المعروف أيضًا باسم تحيز استخدام الكودون ، من نوع لآخر مع آثار وظيفية للتحكم في الترجمة.

الأحماض الأمينية غير القياسية

في بعض البروتينات ، يتم استبدال الأحماض الأمينية غير القياسية برموز التوقف القياسية ، اعتمادًا على تسلسلات الإشارات المرتبطة في الرنا المرسال. على سبيل المثال ، يمكن لـ UGA ترميز selenocysteine ​​و UAG يمكن أن يرمز إلى pyrrolysine. تم اعتبار السيلينوسيستين على أنه الحمض الأميني الحادي والعشرون ، والبيروليزين هو الحمض الأميني الثاني والعشرون. [46] على عكس سيلينوسيستين ، تتم ترجمة UAG المشفر بالبيروليزين بمشاركة تركيبة aminoacyl-tRNA مخصصة. [47] قد يتواجد كل من السيلينوسيستين والبيروليسين في نفس الكائن الحي. [46] على الرغم من أن الشفرة الوراثية ثابتة في الكائن الحي ، إلا أن بدائيات النوى الأشيلية Acetohalobium arabaticum يمكن أن توسع شفرتها الجينية من 20 إلى 21 حمض أميني (عن طريق تضمين بيروليزين) في ظل ظروف نمو مختلفة. [48]

تحرير الاختلافات

تم توقع الاختلافات في الكود القياسي في السبعينيات. [49] تم اكتشاف الأول في عام 1979 من قبل باحثين يدرسون جينات الميتوكوندريا البشرية. [50] تم اكتشاف العديد من المتغيرات الطفيفة بعد ذلك ، [51] بما في ذلك مختلف رموز الميتوكوندريا البديلة. [52] هذه المتغيرات الصغيرة على سبيل المثال تتضمن ترجمة كودون UGA مثل التربتوفان في الميكوبلازما الأنواع ، وترجمة CUG على أنها سيرين بدلاً من لوسين في خمائر "CTG clade" (مثل المبيضات البيض). [53] [54] [55] نظرًا لأن الفيروسات يجب أن تستخدم نفس الشفرة الجينية مثل مضيفيها ، فإن التعديلات على الشفرة الجينية القياسية يمكن أن تتداخل مع تخليق البروتين الفيروسي أو وظيفته. ومع ذلك ، فقد تكيفت الفيروسات مثل الفيروسات الطولية لتعديل الشفرة الجينية للمضيف. [56] في البكتيريا والعتائق ، تعتبر GUG و UUG كودونات بداية شائعة. في حالات نادرة ، قد تستخدم بعض البروتينات أكواد بدء بديلة. [51] من المثير للدهشة أن الاختلافات في تفسير الشفرة الجينية موجودة أيضًا في الجينات البشرية المشفرة نوويًا: في عام 2016 ، وجد الباحثون الذين يدرسون ترجمة نازعة هيدروجين المالات أنه في حوالي 4٪ من mRNAs التي تشفر هذا الإنزيم ، يتم استخدام كودون الإيقاف بشكل طبيعي لتشفير الأحماض الأمينية التربتوفان والأرجينين. [57] هذا النوع من التسجيل ناتج عن سياق كودون التوقف عالي القراءة [58] ويشار إليه باسم قراءة الترجمة الوظيفية. [59]

يمكن الاستدلال على الرموز الجينية المتغيرة التي يستخدمها الكائن الحي عن طريق تحديد الجينات المحفوظة للغاية والمشفرة في ذلك الجينوم ، ومقارنة استخدام الكودون الخاص به مع الأحماض الأمينية في البروتينات المتماثلة للكائنات الأخرى. على سبيل المثال ، يستنتج برنامج FACIL [60] الكود الجيني من خلال البحث عن الأحماض الأمينية في مجالات البروتين المتجانسة والتي غالبًا ما تكون متوافقة مع كل كودون. يتم عرض احتمالات الأحماض الأمينية الناتجة لكل كودون في شعار الكود الجيني ، والذي يُظهر أيضًا دعم رمز الإيقاف.

على الرغم من هذه الاختلافات ، فإن جميع الرموز المعروفة التي تحدث بشكل طبيعي متشابهة جدًا. آلية الترميز هي نفسها لجميع الكائنات الحية: الكودونات ثلاثية القواعد ، الحمض الريبي النووي النقال ، الريبوسومات ، قراءة الاتجاه الواحد وترجمة الكودونات المفردة إلى أحماض أمينية مفردة. [61] تحدث أكثر الاختلافات تطرفًا في بعض الشركات العملاقة حيث يعتمد معنى رموز التوقف على موضعها داخل mRNA. عندما تكون قريبة من الطرف 3 ، فإنها تعمل كمنهي بينما في المواضع الداخلية إما أنها ترمز للأحماض الأمينية كما في كونديلستوما ماغنوم [62] أو تحريك الإطارات الريبوزومية كما في إيبلوتس. [63]

يعد الكود الجيني جزءًا أساسيًا من تاريخ الحياة ، وفقًا لإحدى النسخ التي سبقت جزيئات الحمض النووي الريبي ذاتية التكاثر الحياة كما نعرفها. هذه هي فرضية عالم الـ RNA. بموجب هذه الفرضية ، يرتبط أي نموذج لظهور الكود الجيني ارتباطًا وثيقًا بنموذج الانتقال من الريبوزيمات (إنزيمات RNA) إلى البروتينات باعتبارها الإنزيمات الرئيسية في الخلايا. تماشياً مع فرضية العالم RNA ، يبدو أن جزيئات RNA المنقولة قد تطورت قبل تركيبات aminoacyl-tRNA الحديثة ، لذلك لا يمكن أن تكون الأخيرة جزءًا من تفسير أنماطها. [64]

تحفز الشفرة الجينية الافتراضية المطورة عشوائيًا نموذجًا كيميائيًا حيويًا أو تطوريًا لأصلها. إذا تم تعيين الأحماض الأمينية بشكل عشوائي إلى ثلاثة أكواد ، فسيكون هناك 1.5 × 10 84 رمزًا وراثيًا محتملاً. [65]: 163 تم العثور على هذا الرقم من خلال حساب عدد الطرق التي يمكن بها وضع 21 عنصرًا (20 حمضًا أمينيًا بالإضافة إلى محطة واحدة) في 64 حاوية ، حيث يتم استخدام كل عنصر مرة واحدة على الأقل. [66] ومع ذلك ، فإن توزيع تخصيصات الكودون في الشفرة الجينية غير عشوائي. [67] على وجه الخصوص ، الكود الجيني عناقيد معينة لتخصيصات الأحماض الأمينية.

تميل الأحماض الأمينية التي تشترك في نفس مسار التخليق الحيوي إلى أن يكون لها نفس القاعدة الأولى في كودوناتها. قد يكون هذا أثرًا تطوريًا لرمز جيني مبكر أبسط يحتوي على عدد أقل من الأحماض الأمينية التي تطورت لاحقًا لترميز مجموعة أكبر من الأحماض الأمينية. [68] يمكن أن تعكس أيضًا الخصائص الفراغية والكيميائية التي كان لها تأثير آخر على الكودون أثناء تطوره.تميل الأحماض الأمينية ذات الخصائص الفيزيائية المتشابهة أيضًا إلى امتلاك كودونات متشابهة ، [69] [70] مما يقلل المشكلات التي تسببها الطفرات النقطية والخطأ في الترجمة. [67]

بالنظر إلى مخطط الترميز الجيني الثلاثي غير العشوائي ، يمكن لفرضية يمكن الدفاع عنها لأصل الكود الجيني أن تتناول جوانب متعددة من جدول الكودون ، مثل عدم وجود أكواد للأحماض الأمينية D ، وأنماط الكودون الثانوية لبعض الأحماض الأمينية ، وحبس المرادف. المواضع إلى الموضع الثالث ، المجموعة الصغيرة المكونة من 20 حمضًا أمينيًا فقط (بدلاً من اقتراب العدد من 64) ، وعلاقة أنماط إيقاف الكودون بأنماط ترميز الأحماض الأمينية. [71]

تتناول ثلاث فرضيات رئيسية أصل الشيفرة الجينية. العديد من النماذج تنتمي إلى واحد منهم أو إلى هجين: [72]


خلفية

عالم الحمض النووي الريبي هو فترة تطورية قديمة تتميز بعملية التمثيل الغذائي القائمة على الريبوزيم. يُعتقد أن الشفرة الجينية ، أو على الأقل سلائف المحولات الحديثة (أي الحمض الريبي النووي النقال ، الشكلان 1 و 2) ، قد تم إنشاؤها في تلك المرحلة [[1] ، الفصل. 5]. هناك العديد من النظريات التي تشرح التنظيم الحالي للشفرة من حيث المزايا الانتقائية ، والمتانة ضد الطفرات ، ونقل الجينات الجانبي ، والخصائص الكيميائية الحيوية والفيزيائية ، وما إلى ذلك. تستند معظم هذه الأفكار إلى افتراض وجود رموز سابقة ، وربما أقل دقة أو معقدة ، والتي تطورت من خلال الاختيار على مبادئ تنظيمية مختلفة ، مما أدى إلى الشفرة الجينية الحديثة. في حين أن معظم النظريات تتعامل مع إعادة ترتيب الكود ، إلا أن القليل منها فقط يعالج بشكل مباشر مسألة كيفية ظهور هذا الرمز. إلى حد ما ، يمكن تفسير الارتباط المحدد بين بعض الأحماض الأمينية وكودوناتها من خلال تكوين مجمعات تساهمية من ثنائي النوكليوتيدات وسلائف الأحماض الأمينية [2]. الأفكار الأخرى التي حظيت باهتمام أكبر هي الحجج الفراغية الكيميائية (التقارب البنيوي بين الأحماض الأمينية وثلاثيات الترميز) [3-6]. علاوة على ذلك ، فقد تم اقتراح أن دور الأحماض الأمينية في عالم الحمض النووي الريبي هو تحسين النشاط التحفيزي للريبوزيمات [7] ، وهي وظيفة تتطلب الترميز ، لأن الريبوزيمات تحتاج إلى ربط الحمض الأميني كعوامل مساعدة بطريقة معينة.

الهيكل الأساسي لجزيء الحمض الريبي النووي النقال.

مراحل تطور جزيء الحمض الريبي النووي النقال. (أ) كان هذا يتألف في الأصل من ثلاثي النوكليوتيد مرتبط بحمض أميني (ب) الثلاثي ممدود إلى حلزون صغير ، ربما لأنه منح الاستقرار الهيكلي (C) استطالات أخرى للحلزون المصغر نتج عنها بنية الحمض الريبي النووي النقال الحديثة. تم تعيين هذا العمل في مرحلة كما في (ب). للحصول على تفاصيل حول الآليات الفعلية لتطور جزيء الحمض الريبي النووي النقال ، انظر [6].

أقترح أن وظيفة قديمة بديلة للأحماض الأمينية في عالم سابق من RNA كانت هي حصاد الطاقة. أقترح سيناريو يكون فيه الترميز مطلوبًا من أجل تنفيذ التحلل التقويضي للأحماض الأمينية ، والذي قد يكون نشأ بسهولة من التخصيصات العشوائية الأولية.

حجتي تأتي من ثلاث ملاحظات. أولاً ، يتم تقويض الأحماض الأمينية للحصول على الطاقة ، ويتم استخدام المستقلبات كسلائف للجزيئات الحيوية الأخرى ، وهو دور غالبًا ما يتم تجاهله بسبب الموقع البارز والمركزي للبروتينات في عملية التمثيل الغذائي. يشير هذا إلى أن الأحماض الأمينية كان من الممكن أن يكون لها في الأصل دور في الطاقة الحيوية ، وليس دور تحفيزي ، مع ظهور هذا الأخير لاحقًا. على وجه الخصوص ، بكتيريا الجنس المطثية من المعروف أنها تستخدم الأحماض الأمينية مباشرة لحصاد الطاقة الأيضية. لا تستخدم بعض هذه اللاهوائية الملزمة الجلوكوز كمصدر للكربون ، ولكنها تخمر زوجًا من الجزيئات يعمل أحد الأحماض الأمينية كمانح للإلكترون ويعمل الآخر كمستقبل للإلكترون. رد الفعل العام ، يسمى التخمر العصي تطلق الطاقة التي تعمل على إنتاج ATP (الشكل 3). ركائز تفاعل Stickland هي أزواج محددة من الأحماض الأمينية. أي أن المواد المتفاعلة يجب أن تشتمل على حمض أميني واحد يمكن أن يتأكسد (عادةً ألانين ، فالين ، ليسين ، سيرين ، إيزولوسين أو ثريونين) ، وحمض أميني آخر يمكن تقليله (عادةً الجلايسين ، البرولين ، أو حمض الأسبارتيك ، انظر الجدول 1 ) [8 ، 9].

رد فعل Stickland. في الجنس المطثية، تخمير الأحماض الأمينية يتطلب خطوتين. (أ) نزع الأمين المؤكسد للحمض الأميني مع حالة الأكسدة الأعلى ينتج عنه α- حمض الكيتو والأمونيوم واثنين من البروتونات. على سبيل المثال ، إذا كان R.1 هي مجموعة الميثيل (-CH3) ، فإن الحمض الأميني المانح هو ألانين ، ويكون ناتج نزع الأمين المؤكسد هو البيروفات ، وهي مركبات مركزية لعملية التمثيل الغذائي الوسيط. (ب) يعلق الفوسفات غير العضوي عند طرف الكربوكسيل. يحل البروتون الثاني محل الراديكالي الأميني. ناتج هذا التفاعل هو أسيل فوسفات. على سبيل المثال عندما R2 هو هيدروجين (وبالتالي فإن الحمض الأميني المتقبل هو جلايسين) هذا المنتج يتوافق مع أسيتيل فوسفات. مركبا الفوسفات من A و B هما ركائز لتخليق ATP من ADP. بطبيعة الحال ، في كلوستريديوم النيابة. تحدث كل هذه التفاعلات بمساعدة هيدروجيناز (لمانحي الإلكترون) واختزال (لمستقبلات الإلكترون). يتم تحفيز تخليق ATP بواسطة كينازات. ومع ذلك ، في الأنظمة الكيميائية ذاتية التغذية ، فإن الأسيتيل الفوسفات هو بسهولة حامل الطاقة (انظر النص).

ثانيًا ، يتم إنتاج الأحماض الأمينية بسهولة في ظل العديد من السيناريوهات المحتملة للتوليف اللاأحيائي لبنات بناء الحياة. تستخدم تجربة ميلر الشهيرة [10] وتركيبات ميلر-أوري الأخرى [11-13] مصادر الطاقة لتوليد الأحماض الأمينية من الغازات. تستخدم نظرية "الحديد-الكبريت" الكيميائية الذاتية التغذية [14] ، والتي تتوافق مع ظروف الفتحات الحرارية المائية للمدخن الأسود (شديدة الحرارة وحمضية للغاية) ، القوة المختزلة للكبريتيدات ودرجات الحرارة المرتفعة لتكوين الجزيئات العضوية ، بما في ذلك الأميني. الأحماض ، عن طريق استرات ثيو. في الفتحات الحرارية المائية الدافئة والقلوية (المدخنون البيض) انخفاض مماثل في ثاني أكسيد الكربون2 عن طريق الكبريتيدات ، والتفاعلات التي تحدث مماثلة لمسار تكوين الأسيتات (Wood-Ljungdahl) ، حيث تؤدي فروع تثبيت النيتروجين إلى الأحماض الأمينية ، والتي بدورها تستخدم أيضًا كسلائف لتكوين النيوكليوتيدات [15].

في جميع السيناريوهات الثلاثة ، يتم تكوين العديد من "أزواج Stickland" بسهولة. على وجه الخصوص ، يمكن أن تشكل "أحماض ميلر الأمينية" [10] ذات أعلى إنتاجية (أساسًا الألانين والجليسين وحمض الأسبارتيك والفالين الشكل 4) أربعة أزواج من Stickland: ألانين + جلايسين ، ألانين + حمض الأسبارتيك ، فالين + جلايسين وفالين + حمض الأسبارتيك. وبالمثل ، في عالم الحديد والكبريت ، يتم تصنيع الجلايسين والسيرين وحمض الأسبارتيك بسهولة [16] ، حيث نجد أن الجلايسين + السيرين والجليسين + حمض الأسبارتيك هي أزواج تفاعلية من Stickland. أخيرًا ، إلى جانب الجلايسين والألانين ، تتشكل أحماض الأسبارتيك والجلوتاميك أيضًا في الفتحات الحرارية المائية القلوية [15] ، مرة أخرى تشكل أزواج الألانين + الجلايسين والألانين + حمض الأسبارتيك وحمض الأسبارتيك + الألانين.

محصول الأحماض الأمينية في تجربة ميلر. يقاس العائد بـ ميكرومترتنتج منتجات مول من فوارة 336 ملمول من الميثان ، وهو ما يعادل إجمالي 1.55٪. البيانات من الجدول 1 من [13]. تمثل الأشرطة الرمادية والبيضاء الأحماض الأمينية التي هي متبرعات للإلكترون ومتقبلات في تفاعل Stickland ، على التوالي. محور العائد هو مقياس لوغاريتمي.

الملاحظة الثالثة هي المضاد الحيوي الذي غالبًا ما يكون مكملًا للأحماض الأمينية التي تحتوي على أزواج Stickland مترافقة. هذا صحيح بشكل خاص بالنسبة للأحماض الأمينية "Miller" (وهي أبسط الأحماض) ، وينطبق أيضًا على anticodons التكميلية التي تتضمن أزواج G-U غير المتعارف عليها. العلاقة بين هذين الشكلين من التكملة (الأيضية أو تكملة Stickland ، ومكملات anticodon) ذات صلة لأنه في تطور المحولات الأولية ، لعبت مكملة الحمض النووي الريبي دورًا في تنويع مضادات الكودون [6 ، 17 ، 18].

تشير هذه الحقائق الثلاث المستقلة إلى أن تخمير الأحماض الأمينية كان من الممكن أن يلعب دورًا في إنشاء الشفرة الجينية. الغرض من هذه المقالة هو تطوير هذه الفكرة بمزيد من التفصيل ، لتوضيح الفرضية بطريقة قابلة للاختبار ، ولتحليل الآثار المترتبة على فهمنا الحالي لسياق التمثيل الغذائي المبكر والعوامل التي أسست الفرضية الترجمية. الات.

التولد التلقائي للأحماض الأمينية

في العشرينات من القرن الماضي ، اقترح أوبارين [19] وهلدان [20] أنه في ظل ظروف نقص الأكسجين ومع مصادر الطاقة المناسبة ، ستتشكل المادة العضوية تلقائيًا ، والتي ستكون أساس الأشكال الأولى للحياة. لاحقًا ، صنع ميلر [10] أحماض أمينية من مزيج من أربعة غازات أولية: الأمونيا (NH3) والميثان (CH4) ، ماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2). يشكل هذا الخليط "جوًا اختزاليًا" ، مما يعني أن المركبات التي يتم تكوينها لديها إمكانية كبيرة للخضوع لتفاعلات الأكسدة والاختزال. تعتبر بعض المركبات مانحة جيدة للإلكترون ، مثل الأمونيا والميثان. ثاني أكسيد الكربون والأكسجين الجزيئي متقبلان قويان للإلكترون. يعد وجود مستقبلات الإلكترون أمرًا بالغ الأهمية للكائنات ، لأنها تسمح بأكسدة مصادر الكربون (مثل الجلوكوز) في الماء وثاني أكسيد الكربون ، ويتم استخدام ما يصاحب ذلك من إطلاق للطاقة الحرة لعمليات التمثيل الغذائي الحيوية. ومع ذلك ، يشير الفهم المعاصر إلى أن الميثان والأمونيا كانا غائبين عن الغلاف الجوي المبكر للهديان (منذ حوالي 4 مليارات سنة). بدلاً من ذلك ، يستخدم النيتروجين الجزيئي (N.2) وفيرة [21]. في هذا الجو "التقليل الضعيف" N2 هو مانح ضعيف للإلكترون ، مما يحد من تنوع وعائد المركبات التي يمكن تكوينها بشكل غير حيوي.

على أي حال ، فإن تطبيق الطاقة على هذه المخاليط المختزلة يصنع الأحماض الأمينية ذات الأهمية البيولوجية. هذا صحيح بالنسبة للعديد من المتغيرات لتجربة ميلر [11]. عادةً ما تعطي التجارب الشبيهة بميلر إنتاجية عالية نسبيًا من الجلايسين وحمض الأسبارتيك والألانين والفالين ، من بين أمور أخرى ، اعتمادًا على مصدر الطاقة والمزيج الأولي [11-13 ، 22]. يصور الشكل 4 الغلات النسبية للغلاف الجوي المختزل ، حيث يتم تصنيع بعض الأحماض الأمينية المهمة بسهولة.

ومع ذلك ، فإنه قابل للنقاش ، في ظل الظروف الجوية التي حدث فيها أصل الشفرة الجينية ، وبالتالي ما هي الأحماض الأمينية التي كانت ذات صلة بعملية التمثيل الغذائي المبكر. أحد الاحتمالات هو أن الكود الجيني قد تم إنشاؤه بعد نشأة الحياة مباشرةً ، في عالم ما قبل الحمض النووي الريبي في بيئة حساء البريبايوتيك ، في ظل جو مختزل بشكل ضعيف مع عوائد منخفضة من الجلايسين وحمض الأسبارتيك والألانين [11]. هذا احتمال غير محتمل لأن التمثيل الغذائي اللاأحيائي الذي يتضمن الأحماض النووية كان لا بد من وجوده. كما كانت الظروف الجيولوجية خلال هذه الفترة قاسية للغاية ، وتميزت بالنشاط البركاني المعادي ودرجات الحرارة المرتفعة. يُعتقد أن هذه الظروف معاكسة جدًا لإنشاء أشكال مبكرة من الحياة ، على الرغم من أنه ليس من الواضح ما إذا كان من الممكن أن تكون الأيضات ذاتية التغذية موجودة بالفعل. الاحتمال الآخر ، هو أن الكود الجيني قد تم إنشاؤه في عالم الرنا المتأخر ، بعد أن تغير الغلاف الجوي بالفعل ، ربما ليشمل الميثان والأمونيا المنتجين من استقلاب البروتوبيونات المولدة للميثان. هذا ، كما نفهمه ، حدث خلال العصر الأركي ، منذ حوالي 3.5 مليار سنة. هذا هو السيناريو الأكثر احتمالا لأنه في عملية التمثيل الغذائي الموجودة بالفعل ، سينتج رمز ناشئ من إعادة تنظيم العمليات القائمة. وبعبارة أخرى ، فإن التعديلات المسبقة التي كانت مطلوبة لإنشاء الشفرة الجينية تتوافق مع الأيض المبكر.

لخص Wächtershäuser وأشار إلى عدة أسباب وراء عدم عمل "حساء البريبايوتك" لميلر كنموذج لتطور البريبايوتك [14]. على الرغم من أن هذه الأسباب قابلة للنقاش ، إلا أنه يجدر النظر في أن حساء البريبايوتيك قد لا يكون في الواقع السيناريو الأكثر ملاءمة. إحدى الحجج القوية هي أن تركيبة الغلاف الجوي البدائي [21] لن تتكون من الغازات اللازمة لتكوين الأحماض الأمينية البدائية ذات العائد الكافي. كبديل ، اقترح Wächtershäuser ما يسمى "البيتزا البدائية" [1 ، ص 32-33]. تفترض هذه النظرية أن التفاعلات البريبايوتيكية لا تحدث في المحلول ، ولكن على سطح البيريت ، المعادن الغنية بالحديد. يتم امتصاص الكاتيونات الحديدية (موجبة الشحنة) وأنيونات الكبريت (سالبة الشحنة) في سطح المعدن وتتفاعل لتكوين البيريت. رد الفعل هذا ، أي Fe 2+ + 2H2S → FeS2 + 4H + + 2e - يحرر إلكترونين وهو طارد للطاقة ، مما يجعل الطاقة متاحة بسهولة لحدوث تفاعلات كيميائية أخرى. من بين المسارات الكيميائية المحتملة ، يمكن أن تشكل التفاعلات السطحية أحماض أمينية. يمكن من حيث المبدأ تكوين معظم الأحماض الأمينية. ومع ذلك ، فإن الأحماض الأمينية الأولى التي سيتم تشكيلها على أسطح البيريت ، والتي ستكون أول من يتم تضمينها في الشفرة الوراثية القديمة ، من خلال ضمناً مبدئيًا ، هي حمض السيرين والأسبارتيك. يتم تقطيع السيرين على الفور لإنتاج الجلايسين [14]. في التوليفات التجريبية لنظرية Wächtershäuser ، تم الحصول بالفعل على بعض الأحماض الأمينية: الجلايسين ، والألانين والسيرين [16] ، والألانين ، وحمض الجلوتاميك ، والفينيل ألانين ، والتيروزين [23 ، 24].

سيناريو آخر كيميائي ذاتي التغذية يستحق المناقشة يحدث في الواقع في الفتحات الحرارية المائية القلوية [15]. يمكن القول أن هذا الإعداد يشتمل على نظرة شاملة لأصل استقلاب الطاقة. يعمل التركيب الجغرافي في قشرة الأرض على تقوية الثعابين: تتأكسد سيليكات المغنيسيوم والحديد بالماء وتنتج H2. يتم إطلاق هذا الهيدروجين الجزيئي لاحقًا في الفتحات الحرارية المائية ، حيث يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون2 وكبريتيد الحديد (FeS) ، مكونين ثيو استرات. هذه المركبات هي الأساس لتخليق العديد من المركبات والعوامل المساعدة ، كما أنها تقرن تنشيط الأسيتات بالفوسفات لإعطاء أسيتيل فوسفات ، والذي يمكن أن يتحلل بالماء لينتهي به المطاف في الأسيتات (CH3COOH). كما هو الحال في سيناريو الحديد-الكبريت ، يمكن أن تحفز FeS أيضًا الأمينة المؤكسدة لـ α- أحماض كيتو ، وينتج عنها أحماض الألانين والجليسين والأسبارتيك والغلوتاميك. بشكل ملحوظ ، يمكن أيضًا تكوين البيورينات والبيريميدين من حمض الأسبارتيك والجليسين (وهو مسار يتضمن أسيل فوسفات) [25].

باختصار ، توفر هذه السيناريوهات المختلفة أطرًا سياقية تدعم تركيب الأحماض الأمينية. لا تزال مسألة إنتاج الأحماض الأمينية قائمة حتى لو كشفت هذه النظريات عن مسارات معقولة لـ من جديد تخليق الأحماض الأمينية ، أظهرت التقييمات التجريبية أن المحصول ضعيف إلى حد ما مقارنة بمتطلبات الكائنات الحية الحديثة. ولكن هل كان المحصول اللاأحيائي المنخفض نسبيًا للأحماض الأمينية كافياً للحفاظ على البروتوبيونات بناءً على استقلاب الحمض النووي الريبي؟ تعتمد الإجابة على هذا السؤال بشدة على دور الأحماض الأمينية في الوقت الذي تم فيه إنشاء الشفرة الجينية.

رد فعل Stickland

يرتبط دور الأحماض الأمينية حتمًا بالطبيعة الهيكلية والحفازة للبروتينات. نظرًا لصغر حجمها ، سيكون من العبث اعتبار أن الأحماض الأمينية الحرة يمكن أن يكون لها دور هيكلي. ولكن بسبب خواصها الفيزيائية والكيميائية ، يمكن للأحماض الأمينية الحرة المرتبطة بمهايئات الحمض النووي الريبي أن تساعد في التحفيز [7]. تجادل نظرية مقابض الإنزيمات المساعدة في الترميز (CCH) بأن الأحماض الأمينية كانت مرتبطة تساهميًا بثلاثي النيوكليوتيدات ، بطريقة تذكرنا بالعوامل المساعدة الأيضية ، مثل نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) أو ATP على سبيل المثال [7 ، 26]. كانت ثلاثي النوكليوتيدات بمثابة "مقابض" يتم من خلالها ربط الريبوزيمات غير التساهمية بالأحماض الأمينية. بهذه الطريقة ، يمكن إعادة استخدام الأحماض الأمينية للمساعدة في التحفيز [27]. أي ارتباط لا لبس فيه بين ثلاثة توائم وذخيرة الأحماض الأمينية من شأنه أن يضمن استخدام العوامل الحفازة الصحيحة لوظائف محددة. هذا يفترض أن مخزونًا متواضعًا من الأحماض الأمينية كان متاحًا بالفعل. إن تخليق معظم الأحماض الأمينية المهمة من الناحية التحفيزية معقد للغاية ، وعائدها اللاأحيائي ضئيل (باستثناء حمض الأسبارتيك) ، وهي حقيقة تؤجل بالضرورة الوظائف التحفيزية للأحماض الأمينية إلى مراحل تاريخية لاحقة.

دور أساسي آخر لعملية التمثيل الغذائي للبروتين والأحماض الأمينية هو التغذية. تتأكسد الأحماض الأمينية عبر دورة حمض الستريك وتتحول إلى يوريا (يتم التخلص منها) وبيروفات وأحماض كيتو أخرى من دورة حامض الستريك والتي تستخدم في تخليق مركبات أخرى. الأحماض الأمينية لها حالة أكسدة مماثلة لتلك الموجودة في الجلوكوز ، مما يشير إلى أنها يمكن أن تخضع للتخمير ، وفي الكائنات الحية الموجودة يعزز تحللها تخليق ATP.

هناك العديد من المسارات التقويضية لتدهور الأحماض الأمينية. من بين هذه ، تفاعل Stickland هو الأكثر فعالية ، عن طريق الجمع بين أكسدة حمض أميني مع اختزال آخر. تخضع الأحماض الأمينية المؤكسدة لعملية نزع الأمين بواسطة نازعات الهيدروجين من الأحماض الأمينية ، حيث تفقد بالإضافة إلى ذلك إلكترونين وبروتونيين [28-30] حمض الكيتو الناتج ثم يفقد كربونًا واحدًا إلى ثاني أكسيد الكربون2، ويؤدي إلى تخليق ATP عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة (الشكل 3 أ) [9 ، 29-31]. يقترن هذا التفاعل بعد ذلك بـ "الفرع الاختزالي" عن طريق نقل الإلكترونات والبروتونات إلى الأحماض الأمينية الأخرى ، والتي تخضع لنزع الأمين الاختزالي ، محفزًا بواسطة اختزال [32-35]. يحتوي حمض الكيتو المخفض على نفس عدد الكربون مثل الأحماض الأمينية المستقبلة. عادة ، لا يؤدي الفرع الاختزالي إلى ATP (ما لم تكن كلا الركيزتين جليكاين) ، (الشكل 3 ب) [36].

يختلف المقدار الإجمالي للطاقة الحرة وفقًا للزوج المحدد من الأحماض الأمينية التي تخضع للتخمير ، وقياس العناصر المتكافئة للتفاعل. على سبيل المثال ، يؤدي تخمير أربع مولات من الجلايسين إلى 3 مولات من ATP تخمير الجلايسين والألانين (بنسبة متكافئة 3: 1 مول) يؤدي إلى 1.7 مول من ATP. كلاهما ينتج عنه إنتاجية أقل من تخمير 2 مول من الجلوكوز ، مما يؤدي إلى 5 مولات من ATP ، ولكنه لا يزال فعالًا عند مقارنته مع إنتاجية تخمير الكربوهيدرات الأخرى (على سبيل المثال ، 3 مول من اللاكتات تعطي ناتجًا يبلغ 2.3 مول من ATP) [ [36 ، 37] ، الفصل. 12].

العائد النشط هو في الواقع كافٍ للحفاظ على الكائنات الحية التي تستخدم الأحماض الأمينية حصريًا كمصادر للطاقة. المثال الأكثر إقناعًا هو الجنس المطثية الذي يتألف من بكتيريا كيميائية التغذية ، اللاهوائية ، [38]. الأنواع المختلفة قد تستخدم أو يجب أن تستخدم الأحماض الأمينية كمصدر للكربون [9 ، 30 ، 35 ، 39 ، 40]. لكن الجنس المطثية ليست مجموعة أحادية النمط [40 ، 41] ، مما يشير إلى أن تفاعل Stickland قد يكون له أصول مستقلة (احتمال غير محتمل بسبب تشابه تسلسل نازعات الهيدروجين واختزاله [32]) ، أو فقد في أجناس أخرى ، أو تم الحصول عليه عن طريق النقل الجانبي. من بين الأنواع نجد المحبة للحرارة والقلوية ، وبعضها مرتبط بفتحات حرارية مائية [37 ، 38 ، 40 ، 42 ، 43].هذا بالكاد يضع مسارات تفاعل Stickland الموجودة في فرع أسلاف عميق لشجرة الحياة ، ولكن من الممكن تصور أن الإصدارات المماثلة ، إن لم تكن متوارثة ، من مسارات تفاعل Stickland لم تكن موجودة فقط قبل إنشاء الكود ، ولكن كان من الممكن أيضًا أن تلعب دورًا دور في إنشاء الكود ، قبل تنفيذ الدور التحفيزي وتطور الترجمة.

تطور المحولات

مشكلة استخدام الأحماض الأمينية ليست سوى جانب واحد من العملة. الجانب الآخر هو كيف تم تخصيص الأحماض الأمينية لترميز ثلاثة توائم. حتى لو تم اعتبار دور الأحماض الأمينية أمرًا مفروغًا منه ، كما هو الحال مع CCH أو تخمر Stickland ، يبقى السؤال حول العوامل التي تحدد مثل هذه التخصيصات. على أي حال ، يمكن الافتراض أنه في مرحلة ما تضمنت المهمة رابطة تساهمية بين الأحماض الأمينية والمحولات الأولية. لقد نوقش ما إذا كانت المقابض تتكون من أكواد قديمة أو أنتيكودونات [5 ، 26] ، لكن الارتباطات الكيميائية الفراغية تفضل فكرة أن هذه كانت مضادات الكودونات [5 ، 6]. استطالت هذه المقابض الإنزيمية لاحقًا لتشكل حلزونات صغيرة. يمكن أن تمنح الهياكل الحلزونية الاستقرار الهيكلي للمحولات الأولية (سلائف الحمض النووي الريبي) ، ربما لوظائف الترميز. تفترض الأفكار المقدمة في هذه المقالة مرحلة حلزونية مصغرة للمحولات الأولية. تطورت الحلزونات المصغرة في النهاية عن طريق الازدواج المتتالي والمتكرر لتشكيل المحولات الحديثة ببنيتها الورقية البرسيمية ، الحمض الريبي النووي النقال (الشكل 2 ، [6]). تأسست هذه الفكرة في آلية مقترحة مؤخرًا. يجادل بأن سلف المحولات كان جينًا متناظرًا بدائيًا يتكون من 11 نيوكليوتيد. سيتكون دبوس الشعر الصغير هذا من تسلسلين كتلتين: ثلاثة تكويد ترميز (CCH ، على سبيل المثال ، GCC) ، وعلامة تكرار (شيء مثل تسلسل المروج) مع تسلسل 5'-DCCA-3 '(حيث يكون D إما A أو حرف U). إذا تم ربط ثلاثي الترميز المسبق بين العلامة والتسلسل التكميلي للعلامة ، يتم تشكيل دبوس صغير من 11 نيوكليوتيد: UGGDGCCdCCA (حيث تشير d إلى تكملة D). الآن ، تعد العلامة زائد ثلاثي (7 نيوكليوتيدات) مكملة لكتلة 11 نيوكليوتيد ، ويمكن ربطها في أحد نهاياتها وتشكيل 18 نيوكليوتيد دبوس شعر. إذا تم تكرار هذا النمط ، فيمكن بناء الجزيء الطويل البالغ 76 نيوكليوتيد ، الحمض الريبي النووي النقال ، [6]. والجدير بالذكر أنه في كل تكرار لآلية الاستطالة والازدواج هذه ، يتطور جزيئان من المحولات الأولية معًا (واحد في كل حبلا) ، مما يدعم الفرضية طويلة الأمد القائلة بأن الأحماض الأمينية قد تم تضمينها في الكود في أزواج [6 ، 18 ، 44 - 47].

نظرًا لأن دبوس الشعر له تسلسل تكميلي في كلا الخيطين ، فإن زوجًا من المحولات الأولية مع anticodons التكميلية مكملان تمامًا. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون هذا الحلزون المزدوج للحمض النووي الريبي متماثلًا (انظر الشكل 5). اللافت للنظر هو أن الأزواج الحديثة من الحمض النووي الريبي مع مضادات الكودونات التكميلية مكملة أيضًا في متواليات محددات الأحماض الأمينية في الجذع [6 ، 18 ، 45 ، 46]. يشير هذا إلى أن التسلسلات الموجودة في الجذع يجب أن تتوافق مع سلائف مضاد الكودون. يكون هذا الارتباط أقوى عندما يُسمح بالزوج غير المتعارف عليه G-U في الحلزونات [45 ، 48 ، 49]. المعنى الضمني ، كما هو مفصل أدناه ، هو أن تكرار الكود يمكن تفسيره من حيث التطور المشترك لسلائف anticodon [18 ، 45 ، 46]. أولاً ، من المفترض أن المحولات الأولية ذات الأكوام المضادة التكميلية عند التكرار ، تشكل حلزونات وسيطة مزدوجة تقطعت بهم السبل. أنتجت مُضاعفات الحمض النووي الريبي منخفضة الدقة مضادات أكودونات غير محددة ، ربما عن طريق الطفرات ، ولكن بشكل أساسي عن طريق استخدام الاقتران G-U [6]. ثانيًا ، تم تخصيص هذه الكودونات غير المعينة للأحماض الأمينية الجديدة بينما تم تخصيص مكملاتها ، التي تشبه المحول الأولي الأصلي ، إلى الأحماض الأمينية الأصلية [18 ، 45]. لنأخذ على سبيل المثال GCC ، وهو مضاد للشيخوخة مخصص للجليسين. يمكن أن ينتج هذا الكودون ثلاثيًا غير مخصص في البداية عن طريق تكرار القالب: GGU. هذا الأخير ، من خلال مطابقة Watson-Crick المناسبة ، ينتج ACC ، وهو مضاد آخر للجليسين. تم بعد ذلك تعيين المضاد الوسيط GGU لحمض أميني جديد (في هذه الحالة ، ثريونين). يمكن أن تمتد هذه الآلية لتشمل مضادات الكودونات الأخرى ، وتشرح بخس شديد دمج العديد من الأحماض الأمينية في أزواج ، على الرغم من أنها لا تفسر سبب تخصيص أزواج محددة (على سبيل المثال ، الجلايسين والثريونين) لزوج من مضادات الكودونات ACC و GGU.

الجين المتناظر البدائي. يمكن أن تتكشف حلزونان مصغران لهما أضداد أكودونات تكميلية ولكنهما متماثلان ، ويتحولان إلى ثنائي الشكل لتشكيل حلزون مزدوج من الحمض النووي الريبي. هذا الحلزون المزدوج هو متماثل.


خلفية

من المعروف جيدًا أن ترتيب الأحماض الأمينية في الكود الجيني القياسي غير عشوائي بشكل واضح ، وهو أن الكودونات المجاورة (أي تلك التي تختلف في واحد فقط من المواضع الثلاثة) يتم تخصيصها للأحماض الأمينية ذات الخصائص الفيزيائية المماثلة. بالنظر إلى أن متواليات البروتين التي تحدث بشكل طبيعي قد تم اختيارها بالفعل لوظيفة فعالة لفترات طويلة ، فمن المحتمل أن تكون معظم تغييرات الأحماض الأمينية العشوائية التي يتم إدخالها في تسلسل البروتين ضارة. من المحتمل أن يكون حجم التأثير الضار أكبر بالنسبة لبدائل الأحماض الأمينية التي تحدث تغييرًا أكبر في الخصائص الفيزيائية. سيؤدي حدوث طفرة في موقع DNA واحد إلى استبدال الحمض الأميني بالحمض الأميني المخصص للكودون المجاور ومن ثم يكون ترتيب الكود الجيني بحيث من المحتمل أن تكون الطفرات أقل ضررًا مما هي عليه في رمز عشوائي. تظهر أخطاء في البروتينات أيضًا أثناء الترجمة ، i.ه. يؤدي وجود خطأ في الاقتران بين الحمض النووي الريبي (tRNA) و mRNA إلى إدخال حمض أميني في البروتين يختلف عن البروتين المحدد في تسلسل الجين. من المرجح أن تتضمن الأحداث الخاطئة الأكثر شيوعًا واحدًا فقط من كل ثلاثة أزواج من النيوكليوتيدات بين الكودون ومضاد الكودون ، وبالتالي فإن الخطأ الترجمي له تأثير مماثل لطفرة نقطية. وهكذا يبدو أن الكود القياسي قد تم تحسينه لتقليل آثار كل من الخطأ الترجمي والطفرات الضارة.

يتم التوصل إلى هذه الاستنتاجات من خلال الدراسات التي تقارن الشفرة المعيارية بأعداد كبيرة من الرموز المعاد ترتيبها عشوائيًا [1-8]. عادة ما يُفترض أن الخطأ الترجمي أكثر أهمية من الطفرات الضارة. يتم تعريف دالة & # x003a6 التي تقيس متوسط ​​تكلفة الخطأ الترجمي. هذا يعتمد على ترتيب الأحماض الأمينية في الكود. & # x003a6 يتم حسابها للرمز الحقيقي وللعديد من الرموز العشوائية. جزء من الرموز العشوائية ، F، التي لها تكلفة أقل من الكود الحقيقي يتم الحصول عليها بعد ذلك. غالبًا ما يُقال أن الكود القياسي هو "واحد في المليون" ، لأن F = 10 -6 في دراسة فريلاند وهيرست [2]. قيمة ال F يختلف اختلافًا كبيرًا بين الدراسات المذكورة أعلاه ويعتمد على العديد من التفاصيل الخاصة بالطريقة التي يتم بها تحديد دالة التكلفة. لأغراضنا ، القيمة الدقيقة لـ F غير مهم. نحن نقبل ذلك F صغيرة بالنسبة للخيارات المعقولة لوظيفة التكلفة ونحن نركز على السؤال عن كيفية حدوث ذلك. المعنى الواضح هو أن التطور والانتقاء الطبيعي شكلا الشفرة بطريقة ما.

تستخدم غالبية الجينومات النووية للبكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى الكود القياسي الذي ظل دون تغيير منذ السلف المشترك لمجالات الحياة الثلاثة هذه. ومع ذلك ، توجد العديد من الرموز البديلة في الكائنات الحية الحديثة حيث تمت إعادة تعيين كودون واحد أو أكثر من معناها في الكود القياسي [9-11]. توضح هذه الرموز البديلة أن تطور الكود ممكن وأنه لم يتم تجميده بالكامل. يتمثل أحد أوجه القصور في الدراسات الإحصائية حول الرموز المعاد ترتيبها عشوائيًا في أنها لا توفر آلية تطورية يتم من خلالها الوصول إلى رمز مُحسَّن. من الواضح أن التطور لا يستمر من خلال إنشاء مليون بديل عشوائي واختيار الأفضل. نحن بحاجة إلى فهم كيف يمكن أن تتغير التعليمات البرمجية بخطوات تدريجية ، ولماذا تم تحديد كل رمز تالٍ على الرمز السابق. تمت دراسة النماذج الديناميكية أيضًا [12،13] حيث يتغير الكود عن طريق تبديل الأحماض الأمينية المخصصة لمجموعتي كودون. إذا أدت المبادلة إلى انخفاض في & # x003a6 ، يتم قبول التغيير. يوضح هذا النموذج أن الكود يمكن أن يتطور من خلال سلسلة من التحركات المحلية نحو المستوى الأمثل المحلي. عادةً ما تحتوي Optima المحلية على & # x003a6 أصغر بكثير من الرموز العشوائية F هي صغيرة بالنسبة لرموز أوبتيما المحلية التي يتم الوصول إليها من خلال المسارات التطورية. خلصت هاتان الورقتان إلى أن الكود القياسي ليس أفضل محلي لأن هناك بعض المقايضات التي يمكن أن تقلل من & # x003a6 أكثر. ومع ذلك ، فإن الكود القياسي لا يزال أفضل بكثير من معظم الرموز العشوائية ، وبالتالي فهو صغير F.

يعتمد ما إذا كان الكود الحقيقي هو الأمثل المحلي على مجموعة الحركات المحلية المسموح بها. نعتقد أن السماح بمقايضات مواضع أي نوعين من الأحماض الأمينية أمر غير واقعي ، ويبالغ في تقدير السهولة التي يمكن بها تغيير الكود. لا يحدث أي من الأمثلة العديدة المعروفة لإعادة تخصيص الكودون في الأكواد البديلة عن طريق مبادلة الأحماض الأمينية المخصصة لمجموعتي كودون [11]. بدلاً من ذلك ، يتم إعادة تعيين كودون واحد أو أكثر مخصص لحمض أميني إلى آخر ، بحيث يتناقص حجم كتلة واحدة من الكودونات ويزيد الآخر. علاوة على ذلك ، فإن الحمض الأميني الذي يكتسب الكودون يكون دائمًا تقريبًا جارًا للحمض الذي يفقده (على سبيل المثال.ز. يمكن إعادة تعيين كودون AUA ، وهو Ile في البداية ، إلى Met ، والذي يشغل في البداية كودون AUG المجاور). والسبب في ذلك هو أن إعادة تخصيص الكودونات للأحماض الأمينية المجاورة يمكن إجراؤها عن طريق تغيير قاعدة واحدة فقط في الحمض الريبي النووي النقال (انظر الأمثلة في [11]). التحركات المحلية المستخدمة في [12] و [13] لا تتضمن هذه القيود. ثانيًا ، تفترض هذه الصورة أن جميع الأحماض الأمينية العشرين موجودة في البداية ، بينما يبدو من الأرجح أن الكود بدأ بعدد صغير من الأحماض الأمينية وتراكم تدريجياً عن طريق إضافة متسلسلة للأحماض الأمينية الجديدة. في الكود الذي يحتوي على 20 من الأحماض الأمينية ، يتناسب العامل الذي يمكن أن يعمل عليه الاختيار مع معدل الخطأ الترجمي. إذا كان معدل الخطأ صفراً ، فإن دالة التكلفة & # x003a6 ستكون صفراً ، وستكون جميع الرموز متساوية. من ناحية أخرى ، إذا تطورت الشفرة عن طريق الإضافة المتسلسلة ، فهناك ميزة انتقائية كبيرة في كل مرة يضاف فيها حمض أميني جديد لأنه يمكن تصنيع المزيد من البروتينات بأحرف أبجدية ن+1 أحماض أمينية مقارنة بأبجدية ن. هذه الميزة لا تعتمد على معدل الخطأ ولا تزال موجودة حتى لو لم يكن هناك خطأ متعدية ، كما سنوضح أدناه. تتمثل الخطوة الرئيسية في النظرية التي نقدمها في هذه الورقة في تعديل دالة التكلفة للتعامل مع الرموز التي تحتوي على أقل من 20 حمضًا أمينيًا. على الرغم من أن الخطأ الترجمي يلعب دورًا في النظرية أدناه ، إلا أن الاختيار الإيجابي لزيادة تنوع البروتين هو الذي يدفع تطور الكود ، بدلاً من تقليل الخطأ. سنبين أن ديناميكيات إضافة أحماض أمينية جديدة تؤدي إلى رمز يتم فيه تقليل معدلات الخطأ (i.ه. F صغير) ، على الرغم من أن هذه ليست القوة الدافعة.

بعد كريك [14] ، توصف الشفرة الجينية أحيانًا بأنها حادث متجمد. من الواضح أن عمليات إعادة تعيين الكودون قد حدثت في التاريخ التطوري الحديث نسبيًا لأن هناك العديد من التغييرات المختلفة في سلالات منفصلة من الميتوكوندريا ، لذلك لم يتم تجميد الكود بشكل صارم. ومع ذلك ، فإن الاستنتاج الذي توصلنا إليه من دراساتنا السابقة لإعادة تعيين الكودون [10،11] هو أنه من الصعب تغيير الكود بعد إنشاء كود كامل يحتوي على 20 حمضًا أمينيًا. تتطلب إعادة تعيين الكودون إما أن يختفي الكودون تمامًا من الجينوم أثناء عملية إعادة التعيين ، أو أن السكان يمرون بمرحلة وسيطة ضارة عندما يكون الكودون إما غامضًا أو غير مخصص. كل هذه الاحتمالات ليست أحداثًا محتملة ، لكنها تصبح أسهل قليلاً في الجينومات الصغيرة حيث يكون عدد تكرارات أي كودون معين صغيرًا. وهذا يفسر سبب حدوث غالبية عمليات إعادة تعيين الكودون في الجينوم الصغير للميتوكوندريا. لا توجد عمليًا أي عمليات إعادة تعيين للشفرات في بدائيات النوى أو في معظم مجموعات حقيقيات النوى ، وهناك عدد كبير من الكودونات التي لم يتم العثور عليها مطلقًا في الجينوم من أي نوع. نظرًا لأن إعادة ترتيب مواقع الأحماض الأمينية في الكود في مرحلة متأخرة من التطور أمر صعب ، فإن أسهل طريقة لضمان أن ينتهي الحمض الأميني في وضع جيد في الكود هي تعيينه في موضع جيد في المقام الأول. بعبارة أخرى ، سنناقش أن القوى الانتقائية التي تؤدي إلى المواضع غير العشوائية للأحماض الأمينية في الكود تعمل في الوقت الذي يتم فيه إضافة حمض أميني جديد لأول مرة ، وليس أثناء أحداث إعادة التوزيع اللاحقة. أقوى نمط غير عشوائي في الكود القياسي هو أن الأحماض الأمينية في نفس العمود لها خصائص فيزيائية متشابهة ، وهو ما لاحظه العديد من المؤلفين [15-18 ، 3]. هذا النمط ليس من قبيل الصدفة ، لأن ديناميكيات الانتقاء الطبيعي تدفع بإضافة أحماض أمينية جديدة في مواضع تتماشى مع هذا النمط ، كما سنوضح أدناه. ومع ذلك ، سوف نجادل في أن هذا النمط قد تم تجميده بالفعل ، لأنه ظل في مكانه منذ المراحل الأولى من تطور الكود.

تدين هذه النظرية بنظرية التطور المشترك لأصل الشفرة الجينية التي طورها وونغ [19 ، 20] ودي جوليو [21 ، 22] ، وتتشارك معها في العديد من الميزات المهمة. تقترح نظرية التطور المشترك أن الكود الأول لم يتضمن سوى عددًا صغيرًا من الأحماض الأمينية وأن الأحماض الأمينية اللاحقة تمت إضافتها بالتتابع إلى الكود. أقدم الأحماض الأمينية هي تلك التي من الأسهل تركيبها ، إما عن طريق كيمياء البريبايوتيك في البيئة أو عن طريق مسارات التمثيل الغذائي القصيرة داخل الخلية. الأحماض الأمينية اللاحقة هي تلك التي لا يمكن تصنيعها بطريقة غير بيولوجية ، وتتطلب مسارات استقلابية متعددة الخطوات لتكوينها داخل الخلية. لقد أجرينا مؤخرًا مسحًا خاصًا بنا لترددات الأحماض الأمينية في السياقات غير البيولوجية [23 ، 24]. يؤدي هذا إلى توقع أي من الأحماض الأمينية مبكرة ومتأخرة وهو ما يتفق إلى حد كبير مع ما هو مقترح في نظرية التطور المشترك. تفترض نظرية التطور المشترك أيضًا أن الأحماض الأمينية المبكرة تم تخصيصها في البداية إلى كتل كودون كبيرة ، وأنه مع إضافة أحماض أمينية جديدة ، تخلت الأحماض الأمينية السابقة عن بعض كودوناتها للأحدث. سوف نشير إلى هذا باسم "التقسيم الفرعي" ، مما يعني أن كتلة الكودون الكبيرة تنقسم إلى قسمين ، أحدهما يتم الاحتفاظ به بواسطة الحمض الأميني السابق والآخر يتم إعادة تخصيصه للحمض الأميني الجديد. يتطور الكود أيضًا عن طريق التقسيم الفرعي وفقًا لنظريتنا. جانب أساسي آخر لنظرية التطور المشترك هو أن المواقف التي يتم فيها إضافة الأحماض الأمينية اللاحقة يتم تحديدها من خلال علاقات المنتج السلائف. يأخذ منتج الأحماض الأمينية بعض الكودونات من سلائفه. في نظريتنا ، هذا عادة ما يكون غير صحيح. سننظر في هذا الجانب من النظرية أدناه ، وسنوضح أن الانتقاء الطبيعي لا يفضل عادةً إضافة حمض أميني في موضع يتبع علاقة السلائف بالمنتج بدلاً من تحديد المواقف المفضلة لإضافة حمض أميني بواسطة خصائصه الفيزيائية.

تدين هذه النظرية أيضًا بدين لنماذج تطور الكود لأرديل وسيلا [25-28]. تؤكد هذه النماذج على دور التطور المشترك للرسائل البرمجية. إذا ظهر رمز متغير جديد في كائن حي ، فيجب عليه ترجمة الجينات الموجودة بالفعل. تم تكييف هذه الجينات مع الكود السابق. إذا أدى متغير الكود الجديد إلى زيادة ملاءمة البروتينات المترجمة من هذه الجينات ، فيمكن أن ينتشر الرمز الجديد. بعد انتشار الكود ، يمكن تحقيق زيادة أخرى في الملاءمة عندما تتكيف التسلسلات الجينية مع الكود الجديد. سوف نستخدم نفس الفكرة أدناه. في نماذج Ardell و Sella ، يُفترض أن تبدأ الشفرة في حالة غامضة حيث يتم تعيين الكودونات لمجموعات من الأحماض الأمينية. سينتج هذا الكود مجموعات من البروتينات بدلاً من تسلسلات محددة جيدًا. يتقدم تطور الكود نحو حالة محددة جيدًا حيث يتم تخصيص كل كودون لحمض أميني واحد فقط. يتضح أن الحالة النهائية تميل إلى أن تكون حالة يتم فيها تقليل الخطأ إلى الحد الأدنى. نموذج آخر يبدأ بكودونات غامضة هو نموذج Vetsigian وآخرون. [29]. يؤكد هذا النموذج على دور نقل الجينات الأفقي أثناء تطور الكود. الكائنات الحية التي تشترك في نفس الرمز يمكنها أيضًا مشاركة الجينات المنقولة. لذلك هناك ميزة لاستخدام الرموز العامة. قد يكون صحيحًا أن النقل الأفقي كان متكررًا في وقت إنشاء الكود ، وإذا كان الأمر كذلك ، فقد يساعد ذلك في تفسير سبب انتشار رمز عالمي عبر جميع الكائنات الحية. ومع ذلك ، يمكن أن ينتشر رمز جديد ومناسب أيضًا عن طريق النسب الرأسي ، وبالتالي ، بالنسبة للنظرية التالية ، ليس من المهم ما إذا كان هناك معدل مرتفع من النقل الأفقي.

النماذج في [25-29] مجردة إلى حد ما ، من حيث أنها لا تأخذ في الاعتبار أحماض أمينية معينة أو تحاول التنبؤ بالتخطيط المحدد للشفرة الحقيقية. في المقابل ، هدفنا هنا هو محاولة شرح سبب وجود أحماض أمينية معينة في أماكن معينة في الكود الحقيقي. لهذا السبب ، نحتاج إلى مقياس واقعي لتكلفة استبدال حمض أميني بآخر. في هذه الورقة ، سنمضي على النحو التالي. أولاً ، سننظر في اختيار مصفوفة تكاليف استبدال الأحماض الأمينية. ثم سنطور مقياسًا لتكلفة الكود ، والذي يعتمد على الوظيفة المعيارية & # x003a6 المستخدمة في دراسات الرموز المعاد ترتيبها عشوائيًا ، ولكنها تنطبق على الأكواد ذات الأرقام المتغيرة من الأحماض الأمينية. من هذا المنطلق ، يمكننا النظر في ديناميكيات إضافة حمض أميني جديد من خلال عملية التقسيم الفرعي ، والتنبؤ بالأحماض الأمينية التي يجب اختيارها لإضافتها إلى مواضع الكود. نقترح أن يكون للشفرة تخطيط مكون من أربعة أعمدة في وقت مبكر ، ونبين أن خصائص الكود الحالي يمكن فهمها على أنها نتيجة طبيعية لديناميكيات تطور الكود بدءًا من هذه الحالة.

اختيار دالة التكلفة لبدائل الأحماض الأمينية

العنصر الأساسي لوظيفة & # x003a6 الذي يقيس تكلفة الكود هو الوظيفة ز(أ ، ب) ، وهي تكلفة إدخال الأحماض الأمينية ب في موقع حيث الحمض الأميني أ مفضل. يُفترض أن التكلفة مشتقة من المستوى المنخفض لوظيفة تسلسل البروتين إذا تم استخدام حمض أميني غير مثالي أو من سمية البروتينات غير المطوية التي قد تنشأ عند حدوث أخطاء متعدية. من المفترض أن تكون دالة التكلفة متناظرة ، i.ه. ز(أ ، ب) = ز(ب ، أ) ، وذاك ز(أ ، أ) = 0. التكلفة أكبر للأحماض الأمينية ذات الخصائص الفيزيائية المتباينة. لذلك قد يُنظر إليه على أنه مسافة بين الأحماض الأمينية في مساحة الملكية المادية.

نظرت معظم الدراسات السابقة في وظائف التكلفة التي تعتمد على الاختلافات بين الخصائص الفيزيائية الفردية. على وجه الخصوص ، غالبًا ما يستخدم الاختلاف في مقياس المتطلبات القطبية (PR) [30] (يتم سرد هذا في العمود 9 من الجدول & # x200B الجدول 1). 1).أظهرت الدراسات التي أجريت على الأكواد المعدلة أنه يبدو أن الكود أكثر تحسينًا فيما يتعلق بالعلاقات العامة أكثر من أي خاصية مفردة أخرى [1] لذلك من الواضح أن العلاقات العامة هي خاصية ذات صلة. ومع ذلك ، لا نعتقد أنه من الممكن تمثيل الخصائص الجزيئية بشكل مناسب برقم واحد. حدد هيغز وأتوود [31] المسافة بناءً على 8 خصائص من أدبيات طي البروتين (المدرجة في الأعمدة 1 & # x020138 من الجدول & # x200B الجدول 1 ، 1 ، وانظر [32-37]). تم تطبيع هذه الخصائص بحيث كان المتوسط ​​0 والانحراف المعياري هو 1 لكل خاصية. يترك ضكاأن تكون القيمة الطبيعية للممتلكات ك للأحماض الأمينية أ. مقياس المسافة المفيد هو المسافة الإقليدية بين الأحماض الأمينية في البعد الثامن ض فضاء. ترتبط هذه الخصائص ببعضها البعض إلى حد كبير. يوضح تحليل المكون الرئيسي أن 79٪ من تباين هذه الخصائص الثمانية يتم تفسيره من خلال أول محورين مكونين. يظهر إسقاط الأحماض الأمينية على المكونين الأولين في الفصل 2 من [31] وفي [18]. يوضح هذا أن الأحماض الأمينية في العمودين الأول والثاني من الكود تشكل مجموعتين ضيقتين في مساحة الملكية. تشكل تلك الموجودة في العمود الثالث مجموعة أكثر تشتتًا ، بينما لا يتم تجميع تلك الموجودة في العمود الرابع على الإطلاق. يحتوي العمود الرابع على الأحماض الأمينية الأصغر (Gly) والأكبر (Trp) والأكثر أساسية (Arg) ، وكذلك Cys ، وهو أمر غير معتاد بسبب تكوين روابط ثاني كبريتيد. يوضح مخطط المكونات الرئيسية أيضًا أنه لا يوجد تشابه معين بين الأحماض الأمينية في نفس الصف. القيمة الصغيرة لـ F تمت رؤيته في دراسات الكود العشوائية لذلك مشتق من تشابه الأحماض الأمينية في الأعمدة وليس الصفوف. أوربينا وآخرون. [18] أظهر أنه يمكن فهم العديد من جوانب تطور تسلسل البروتين من مصفوفة المسافة هذه. معدلات الاستبدال في الموضع الأول أسرع من تلك الموجودة في الموضع الثاني لأن معدلات الاستبدال ذات المركز الأول أكثر تحفظًا من البدائل ذات الوضع الثاني. أيضًا ، تختلف ترددات الأحماض الأمينية بين الجينومات بسبب الاختلاف في الترددات الأساسية التي تنشأ من معدلات الطفرات المتحيزة. وقد تبين أن الأحماض الأمينية في العمودين الأول والثاني من الكود تختلف اختلافًا كبيرًا تحت ضغط الطفرة ، بينما تختلف الأحماض الموجودة في العمودين الثالث والرابع بدرجة أقل بكثير. يمكن التنبؤ بذلك بناءً على درجة تشابه الحمض الأميني مع الأحماض الأمينية المجاورة له في الكود.


نظرة ثاقبة في أصل الشفرة الجينية

أفاد باحثون أن تحليل الإنزيمات التي تحمل الأحماض الأمينية على نقل الحمض النووي الريبي - وهي عملية في قلب ترجمة البروتين - يقدم رؤى جديدة حول الأصول التطورية للشفرة الجينية الحديثة.

النتائج التي توصلوا إليها تظهر في المجلة بلوس واحد.

ركز الباحثون على تركيبة aminoacyl tRNA ، وهي الإنزيمات التي "تقرأ" المعلومات الجينية المضمنة في جزيئات الحمض النووي الريبي المنقولة وتربط الأحماض الأمينية المناسبة بتلك الحمض النووي الريبي. بمجرد شحن الحمض النووي الريبي (tRNA) بحمضه الأميني ، فإنه ينقله إلى الريبوسوم ، وهو "طاولة عمل" خلوية يتم تجميع البروتينات عليها ، بحمض أميني واحد في كل مرة.

تشحن المواد التركيبية الأحماض الأمينية بروابط كيميائية عالية الطاقة تسرع من التكوين اللاحق لروابط الببتيد (البروتين) الجديدة. تتمتع المواد التركيبية أيضًا بقدرات تحرير قوية إذا تمت إضافة الحمض الأميني الخاطئ إلى الحمض الريبي النووي النقال ، فإن الإنزيم يذوب الرابطة بسرعة.

قال Gustavo Caetano-Anoll & eacutes ، أستاذ علوم المحاصيل والمعلوماتية الحيوية بجامعة إلينوي: "إن المواد التركيبية هي المفسرين الأساسيين والمحكمين لكيفية ترجمة معلومات الحمض النووي إلى معلومات عن الأحماض الأمينية". Caetano-Anoll & eacutes ، الذي قاد البحث ، هو أيضًا أستاذ في معهد الولايات المتحدة لبيولوجيا الجينوم. "قدرات التحرير الخاصة بهم أكثر صرامة بحوالي 100 ضعف من التدقيق اللغوي والتعرف الذي يحدث في الريبوسوم. وبالتالي ، فإن التركيبات التركيبية هي المسؤولة عن إنشاء قواعد الشفرة الجينية."

استخدم الباحثون نهجًا تم تطويره في مختبر Caetano-Anoll & eacutes لتحديد الأعمار النسبية لمناطق البروتين المختلفة ، والتي تسمى المجالات. مجالات البروتين هي التروس والينابيع والمحركات التي تعمل معًا للحفاظ على تشغيل آلية البروتين.

أمضى Caetano-Anoll & eacutes وزملاؤه سنوات في توضيح تطور مجالات البروتين والحمض النووي الريبي ، وتحديد الأعمار النسبية لها من خلال تحليل استخدامها في الكائنات الحية من كل فرع من فروع شجرة الحياة. يقدم الباحثون افتراضًا بسيطًا: المجالات التي تظهر في عدد قليل فقط من الكائنات الحية أو مجموعات الكائنات الحية هي أصغر سنًا من المجالات التي يتم استخدامها على نطاق واسع. من المحتمل أن تكون المجالات الأكثر استخدامًا عالميًا - تلك التي تظهر في الكائنات الحية من كل فرع من فروع شجرة الحياة - هي الأقدم.

استخدم الباحثون تعدادهم لنطاقات البروتين لتحديد الأعمار النسبية للمجالات التي تشكل التركيبات. وجدوا أن تلك المجالات التي تحمل الأحماض الأمينية على الحمض الريبي النووي النقال (وتعديلها عند ارتكاب الأخطاء) أقدم من المجالات التي تتعرف على المنطقة على الحمض النووي الريبوزي ، والتي تسمى مضاد الكودون ، والتي تخبر المركب المركب بالأحماض الأمينية التي يجب أن يحملها الحمض النووي الريبي. .

"بشكل ملحوظ ، وجدنا أيضًا أن أقدم مجالات التركيبات كانت مشابهة من الناحية الهيكلية للإنزيمات الحديثة التي تشارك في تخليق البروتينات غير الريبوزومية ، ولأنزيمات أخرى قادرة على صنع ثنائي الببتيدات ،" قال كايتانو-أنول وإيكوتيس.

يفترض الباحثون أن تخليق البروتين القديم يتضمن إنزيمات تشبه إلى حد كبير التركيبات الحالية ، وربما تعمل جنبًا إلى جنب مع الحمض الريبي النووي النقال القديم.

قال Caetano-Anoll & eacutes إن الباحثين عرفوا منذ عقود أن تخليق البروتين البدائي يمكن أن يحدث دون تدخل الريبوسوم. لكن القليل منهم ، إن وجد ، قد نظر إلى الإنزيمات التي تحفز هذه التفاعلات للحصول على دليل على الأصول التطورية لتخليق البروتين.

بعد تنبيههم إلى الأهمية المحتملة لتشكيل ثنائي الببتيد في تخليق البروتين المبكر ، بحث الباحثون بعد ذلك عن أنماط ثنائية الببتيدات المستخدمة بشكل متكرر في تسلسل البروتينات الحديثة. لقد ركزوا فقط على البروتينات التي جمع العلماء من أجلها المعلومات الهيكلية الأكثر اكتمالاً ودقة.

وقال كايتانو أنول وإيكوتيس: "كشف التحليل عن حقيقة مذهلة". "تم إثراء المجالات البروتينية الأقدم في ثنائي الببتيدات بالأحماض الأمينية المشفرة بواسطة أقدم التركيبات التركيبية. وكانت هذه الببتيدات القديمة موجودة في المناطق الصلبة من البروتينات."

وقال إن المجالات التي ظهرت بعد ظهور الكود الجيني (التي تربط Caetano-Anoll & eacutes بظهور الحمض الريبي النووي النقال anticodon) "تم إثرائها في الببتيدات التي كانت موجودة في مناطق مرنة للغاية".

وبالتالي ، فإن علم الوراثة يرتبط بمرونة البروتين ، على حد قوله.

قال كايتانو-أنول & إيكوتس: "تقدم دراستنا تفسيراً لسبب وجود رمز جيني". سمحت الجينات للبروتينات "بأن تصبح مرنة ، وبالتالي تكتسب عالما من الوظائف الجزيئية الجديدة."


8.4: أصل الشفرة الجينية - علم الأحياء



بواسطة ف. كريك
مختبر مجلس البحوث الطبية للبيولوجيا الجزيئية

طريق هيلز ، كامبريدج ، إنجلترا
(استقبل في 21 آب / أغسطس 1968)

تم وصف السمات العامة للشفرة الجينية.

يعتبر أنه في الأصل تم ترميز عدد قليل فقط من الأحماض الأمينية ، ولكن معظم الكودونات الممكنة

سرعان ما دخلت حيز الاستخدام.


تم تقديم مضمون هذه الورقة في الأصل في اجتماع لـ الجمعية البريطانية للفيزياء الحيوية في لندن في 20 ديسمبر 1966.


ظهر تقرير موجز للغاية بعد فترة وجيزة في رسالة إلى طبيعة سجية (كريك، 1967). عندما كانت هذه المخطوطة في مسودتها الأولى ، د ليزلي أورجيل أخبرني أنه قد أعد بالفعل مسودة ورقة حول موضوع ذي صلة.

لذلك قررنا نشر ورقتين معًا وقمنا بجمعهما إلى حد ما لتجنب التداخل. لم نقم بذلك مع جميع الفقرات في الورقتين التي تتناول نفس الموضوع ، مفضلين في المناسبات أن نسمح لوجهات نظرنا المختلفة قليلاً بالتعبير عنها على أنها اختلافات في المعاملة والتركيز. ومع ذلك ، وبشكل عام ، يتفق كل منا مع الرأي الذي عبر عنه الآخر.


منذ أن تمت صياغة هذه الورقة في الأصل ، ظهرت مناقشة كاملة للغاية في كارل ووزفي كتاب The Genetic Code ، والذي ينبغي الرجوع إليه لإجراء مناقشة أشمل للعديد من النقاط التي تم التطرق إليها هنا.


هيكل الكود الجيني الحالي


إن بنية الشفرة الجينية معروفة الآن إلى حد ما.

الكود هو رمز ثلاثي غير متداخل. معظم ، ولكن ليس كل ، الـ 64 ثلاثيًا يمثل واحدًا أو أكثر من الأحماض الأمينية العشرين ، وفي معظم الحالات ، يتم تمثيل كل حمض أميني بأكثر من كودون واحد. يظهر أفضل إصدار حالي من الكود في الجدول 1. وهذا مأخوذ من 1966 ندوة كولد سبرينج هاربور حول الكود الجيني، والتي يُشار إليها القارئ كمصدر مرجعي للعديد من الموضوعات التي تمت مناقشتها هنا.


قبل البدء في الفحص التفصيلي لهذا الجدول ، من الضروري وجود بضع كلمات تحذير على الرغم من أن الكود الموضح أنه مشتق بشكل أساسي من الدراسات التي أجريت على الإشريكية القولونية ، إلا أنه يجب أن يكون متشابهًا جدًا في الكائنات الحية المختلفة على نطاق واسع مثل نباتات التبغ والإنسان. فيما يلي سأفترض ، من أجل تسهيل العرض ، أنه متطابق في جميع الكائنات الحية ، وهو بعيد جدًا عن إثباته.

في الواقع ، ربما يكون هذا غير صحيح بالنسبة لكودونات البداية.

يوضح هذا الجدول "أفضل التخصيصات" لـ 64 كودون وقت انعقاد الندوة. بعض هذه التخصيصات أقل تأكيدًا من البعض الآخر. يُعتقد أن الكودونين المميزين بالمغرة والعنبر يشيران إلى إنهاء سلسلة البولي ببتيد. لم تتم الإشارة هنا إلى الكودونات المشتبه في كونها معنية ببدء السلسلة

مرة أخرى ، وظيفة الثلاثة توائم الثلاثة المفترضة "هراء" غير معروفة على وجه اليقين. من المفترض أن UAA (مغرة) و UAG (كهرماني) هي إشارات لإنهاء السلسلة وربما UGA أيضًا ، على الأقل في البكتيريا.


في الإشريكية القولونية ، يبدو أن هناك آلية خاصة لبدء سلسلة البولي ببتيد ، بما في ذلك فورميل ميثيونين وكودونات AUG و GUG. الآلية في الكائنات الحية الأعلى (إذا وجدت بالفعل آلية خاصة) غير معروفة.


أخيرًا ، من غير المؤكد ما إذا كانت هناك أكواد غامضة ، أكواد تمثل أكثر من حمض أميني واحد. بالطبع ، من المعروف أن الطفرات يمكن أن تنتج أخطاء في آلية الترجمة وبالتالي تجعل بعض الكودونات غامضة ، ولكن من غير المعروف ما إذا كان الغموض يحدث "بشكل طبيعي". مرة أخرى في ما يلي سأفترض أن هذا ليس هو الحال عادة بالنسبة للكائنات الحية في الوقت الحاضر.


السبب الأساسي لتجاهل هذه التعقيدات والشكوك في الوقت الحالي هو أنه من غير المحتمل أن تتأثر السمات العريضة للشفرة الجينية بها بشكل كبير. ما هي إذن خصائص الكود التي تتطلب شرحًا؟


هناك بعض الميزات ذات النوع العام بحيث لا تعتمد على الإطلاق على تفاصيل الكود. هم انهم:

  • يحتوي Leucine على CU- و UU A جي

  • سيرين لديها UO و AG U ج

  • يحتوي أرجينين على CG- و AG A جي

(هـ) إذا كانت القاعدتان الأوليان تتكونان فقط من G و C ، فإن الكودونات الأربعة التي تشترك في نفس المضاعفة الأولية جميعها تحتوي على نفس الحمض الأميني. أي أن معنى هذه الكودونات مستقل عن القاعدة الثالثة. هذا صحيح في الواقع لجميع الكودونات التي تحتوي على C في الموضع الثاني. يمكن إنتاج قواعد أكثر تعقيدًا على طول هذه الخطوط للكودونات المتبقية ولكن يبدو لي أنها مجبرة إلى حد ما.

(5) حتى مع السماح بتجميع الكودونات في مجموعات ، لا يبدو أن الأحماض الأمينية مخصصة بطريقة عشوائية تمامًا. على سبيل المثال ، جميع الكودونات التي تحتوي على U في المرتبة الثانية رمز للأحماض الأمينية الكارهة للماء. يتم تجميع جميع الأحماض الأمينية الأساسية والحمضية معًا بالقرب من الجانب الأيمن السفلي من الجدول 1.

يحتوي كل من فينيل ألانين وتيروزين وتريبتوفان على أكواد تبدأ بحرف U وهكذا. من الصعب جدًا عدم تخيل الانتظام حتى في التجمعات العشوائية ، ولكن مع ذلك فإن الانطباع العام هو أن الأحماض الأمينية "المرتبطة" لها إلى حد ما أكواد مرتبطة ببعضها (إبشتاين ، 1966).

(6) الكود عالمي (هو نفسه في جميع الكائنات الحية) أو ما يقرب من ذلك.

لماذا يعتبر الرمز العالمي؟

يمكن وصف نظريتين متطرفتين لتفسير ذلك ، ولكن كما سنرى ، فإن العديد من النظريات الوسيطة ممكنة أيضًا.

نظرية الكيمياء المجسمة

تنص هذه النظرية على أن الكود عالمي لأنه بالضرورة هو الطريق لأسباب كيميائية مجسمة. ووز كان المؤيد الرئيسي لوجهة النظر هذه (انظر Woese ، 1967).

أي أنه ينص على أن فينيل ألانين يجب أن يتم تمثيله بواسطة UUJ ، وليس بثلاثة توائم أخرى ، لأنه بطريقة ما يكون فينيل ألانين `` مرتبطًا '' بهذين الكودونين.

هناك عدة إصدارات من هذه النظرية. سنقوم بفحص هذه بعد وقت قصير عندما نأتي للنظر في الأدلة التجريبية لهم.

نظرية الحوادث المجمدة

تنص هذه النظرية على أن الكود عالمي لأنه في الوقت الحالي يجب أن يكون أي تغيير محال ، أو على الأقل يتم اختياره بشدة ضده.

هذا لأنه في جميع الكائنات الحية (مع استثناء محتمل لبعض العبارات) يحدد الكود (من خلال قراءة mRNA) تسلسل الأحماض الأمينية للعديد من جزيئات البروتين عالية التطور بحيث يكون أي تغيير في هذه الجزيئات غير موات للغاية ما لم يكن مصحوبًا بالعديد من الطفرات المتزامنة لتصحيح "الأخطاء" الناتجة عن تعديل الكود.


هذا يفسر حقيقة أن الكود لا يتغير.

لتفسير كونها نفسها في جميع الكائنات الحية ، يجب على المرء أن يفترض أن الحياة كلها تطورت من كائن حي واحد (بشكل أكثر دقة ، من مجتمع واحد متزاوج بشكل وثيق).

في شكلها المتطرف ، تشير النظرية إلى أن تخصيص الكودونات للأحماض الأمينية في هذه المرحلة كان بالكامل مسألة "فرصة".

النظرية الكيميائية الجزيئية - الدليل التجريبي


في شكلها المتطرف ، تنص النظرية الفراغية الكيميائية على أن التفاعلات الكيميائية المجسمة المفترضة لا تزال تحدث حتى اليوم. لذلك يجب أن يكون إثبات هذه النظريات أو دحضها أمرًا بسيطًا.


بيليه و ويلتون (Pele & amp Welton، 1966 Welton & amp Pele، 1966) اقترح من دراسة للنماذج أنه يوجد في كثير من الحالات توافق كيميائي فراغي محدد بين الحمض الأميني والتسلسل الأساسي لكودون على الحمض الريبي النووي النقال المناسب.

لسوء الحظ ، تم تصميم جميع نماذجهم بشكل عكسي (Crick ، ​​19676) لذا فإن مطالباتهم بدون دعم. تشير هذه النظرية إلى أن تسلسل الكودون المتوقع يحدث في مكان ما على كل الحمض الريبي النووي النقال. على سبيل المثال ، لا يحدث مثل هذا التسلسل في الحمض النووي الريبي للتيروزين سواء من الخميرة (Madison ، Everett & amp King ، 1966) أو من E. coli (Goodman ، Abelson ، Landy ، Brenner & amp Smith ، 1968). في رأينا هذه الفكرة لديها فرصة ضئيلة في أن تكون صحيحة.


الفكرة الأكثر منطقية هي أن الحمض الأميني يناسب المضاد على الحمض الريبي النووي النقال. على الأقل هذا له ميزة أنه موجود دائمًا. تم وصف نموذج على طول هذه الخطوط للبرولين بإيجاز بواسطة دنيل (1966) ، ولكن حتى الآن لم يتم نشر أي وصف تفصيلي ، ولم يوسع بناء نموذجه ليشمل الأحماض الأمينية الأخرى.


لقد أثبت الدليل التجريبي بالفعل أنه عندما ينقل الإنزيم المنشط الحمض الأميني إلى الحمض الريبي النووي النقال ، فإن التفاعل لا يقتصر فقط على المضاد والمشترك. تسلسل المحطة الطرفية CCA.

يتضح هذا من خلال حقيقة أن الإنزيم المنشط من نوع واحد لن يتعرف دائمًا على الحمض الريبي النووي النقال المناسب من نوع مختلف على الرغم من أن مضادات الكودونات يجب أن تكون متشابهة جدًا إن لم تكن متطابقة في الأنواع المختلفة (للحصول على ملخص للبيانات ، انظر Woese ، 1967 ، ص 125). ومع ذلك ، فإن هذا لا يمنع فكرة أن التفاعل جزئيًا مع مضاد الكودون وجزئيًا مع جزء آخر من الحمض الريبي النووي النقال.


أفضل طريقة لدحض النظرية (إذا كانت خاطئة بالفعل) هي تغيير المضاد لبعض جزيئات الحمض النووي الريبي (tRNA) وإظهار أنه مع ذلك قبلت نفس الحمض الأميني من الإنزيم المنشط.

لقد تم فعل ذلك بالفعل مع tyrosine tRNA الصغير للإشريكية القولونية التي تم تغيير مضادها (في سلالة Su +) من GUA إلى CUA (Goodman et al. ، 1968) على الرغم من ضرورة إجراء التجارب كميًا. من المحتمل أن يتم الإبلاغ عن أمثلة أخرى لهذه التغييرات في المستقبل القريب.

حتى يتم ذلك ، يجب أن نحتفظ بالحكم النهائي على نظرية التفاعل بين الأحماض الأمينية والمضادة للكودون ، لكننا نعتبرها غير صحيحة ، باستثناء كل هاب في بعض الحالات الخاصة.


حتى لو ثبت أن الإنزيم المنشط يتعرف على مضاد الكودون ، فإن هذا لن يثبت بحد ذاته أن التعرف يتم عن طريق إدخال الحمض الأميني في قفص مكون من anticodon. لاحظ أن الإنزيم المنشط يجب أن يطلق الحمض الأميني من تجويف التعرف الخاص به ثم إدخاله في موقع التعرف على الحمض الريبي النووي النقال.

علاوة على ذلك ، عندما يتم نقل الحمض الأميني إلى الحمض الريبي النووي النقال وانتشار الإنزيم المنشط في مكان آخر ، لا يمكن للحمض الأميني البقاء في قفص مضاد الكودون دون منع التفاعل مع الكودون على الرنا المرسال. لا شيء من هذا مستحيل لكنه بالتأكيد معقد.


ليس من السهل أن نرى في هذه المرحلة ما هو الدليل المطلوب لإثبات أن مضادات الكودون تشكل بالفعل قفصًا للحمض الأميني ، على الرغم من أنه إذا أمكن بلورة الحمض النووي الريبي (أو ربما جزء منه) ، فقد يكون من الممكن رؤيته الحمض الأميني يجلس في مثل هذا الموقف.


وبالتالي ، فإن الدليل التجريبي الحالي يجعل من غير المحتمل أن يتفاعل كل حمض أميني كيميائيًا مجسمًا مع الكودون الخاص به أو مضاد الكودون الخاص به. وهو لا يمنع بأي حال من الأحوال احتمال أن تتفاعل بعض الأحماض الأمينية بأي من هاتين الطريقتين ، أو أن مثل هذه التفاعلات ، على الرغم من عدم استخدامها الآن ، ربما كانت مهمة في الماضي ، على الأقل بالنسبة لعدد قليل من الأحماض الأمينية.

يجب علينا الآن أن نترك النظام كما هو اليوم وننتقل إلى فحص الأنظمة البدائية.


يكاد يكون من المستحيل مناقشة أصل الكود دون مناقشة أصل الآليات البيوكيميائية الفعلية لتخليق البروتين.

هذا صعب للغاية لسببين: إنه معقد والعديد من تفاصيله غير مفهومة بعد. ومع ذلك ، يجب أن نقدم مخططًا مؤقتًا ، وإلا فلن تكون المناقشة ممكنة.


عند النظر إلى المكونات الحالية لآلية تخليق البروتين ، يصطدم المرء بالمشاركة الكبيرة للحمض النووي غير المعلوماتي. تتكون الريبوسومات بشكل أساسي من RNA وجزيئات المحول (tRNA) هي حصريًا من RNA ، على الرغم من تعديلها لاحتواء العديد من القواعد غير العادية. لماذا هذا؟

أحد التفسيرات المعقولة ، خاصةً بالنسبة للرنا الريباسي ، هو أن إنتاج الحمض النووي الريبي أرخص من البروتين. إذا كان الريبوسوم مصنوعًا حصريًا من البروتين ، فستحتاج الخلية إلى المزيد من الريبوسومات (لصنع البروتينات الإضافية ، والتي لن تكون جزءًا ضئيلًا من جميع البروتينات في الخلية) وبالتالي يمكن أن تتكاثر ببطء أكثر.

على الرغم من أن هذا قد يكون صحيحًا ، لا يسعنا إلا الشعور بأن السبب الأكثر أهمية للـ rRNA و tRNA هو أنهما كانا جزءًا من الآلية البدائية لتخليق البروتين.

منحت هذا ، يمكن للمرء أن يفسر لماذا لم يتم الاستيلاء على وظيفتهم بواسطة البروتين ، منذ ذلك الحين

(ط) بالنسبة إلى الرنا الريباسي ، سيكون مكلفًا للغاية
(2) بالنسبة للـ tRNA ، قد لا يتمكن البروتين من القيام بمثل هذه الوظيفة الأنيقة في مثل هذه المساحة الصغيرة

في الواقع ، كما لوحظ في مكان آخر ، يبدو الحمض الريبي النووي النقال مثل محاولة الطبيعة لجعل الحمض النووي الريبي يقوم بوظيفة البروتين (كريك ، 1966).


إذا كان rRNA و tRNA بالفعل جزءًا أساسيًا من الآلية البدائية ، يسأل المرء بطبيعة الحال عن مقدار البروتين ، إن وجد ، المطلوب بعد ذلك. من المغري التساؤل عما إذا كان الريبوسوم البدائي قد يكون مكونًا بالكامل من الحمض النووي الريبي.

بعض أجزاء الهيكل ، على سبيل المثال البوليميراز المفترض ، قد تكون الآن بروتينًا ، بعد أن تم استبدالها لأن البروتين يمكنه القيام بالمهمة بدقة أكبر. قد لا تكون الأجزاء الأخرى ضرورية بعد ذلك ، لأن تخليق البروتين البدائي قد يكون غير فعال وغير دقيق إلى حد ما. بدون معرفة أكثر تفصيلاً عن بنية الريبوسومات الحالية ، من الصعب إجراء تخمين مستنير.


ليس من الصعب للغاية تخيل أن جزيئات الحمض النووي الريبي (tRNA) المبكرة لم يكن لها قواعد معدلة (لذلك لم تكن هناك حاجة إلى إنزيمات معدلة) ، ولكن من الصعب تحديد ما إذا كان تنشيط الإنزيمات ضروريًا.

فكرة جذابة (اقترحها لنا د أوليفر سميثيز) هو أن الحمض الريبي النووي النقال البدائي كان إنزيمه المنشط. أي أن هيكلها يحتوي على تجويف فيه يحمل على وجه التحديد السلسلة الجانبية للحمض الأميني المناسب في مثل هذا الوضع بحيث يمكن ربط مجموعة الكربوكسيل بسهولة بالريبوز الطرفي للحمض النووي الريبي.


وبالتالي ليس من المستحيل تخيل أن الآلية البدائية لم يكن بها بروتين على الإطلاق وتتألف بالكامل من الحمض النووي الريبي. تمت مناقشة هذا بإسهاب أكبر في الورقة المصاحبة بواسطة د إل إي أورجيل، حيث يتم التأكيد على أهمية سهولة تكاثر الحمض النووي.

نحن نواجه مسألة أصل كل هذا الحمض النووي الريبي. هل يمكن أن تكون التسلسلات المناسبة قد نشأت بالصدفة؟

لا نشعر أن هذا مستحيل تمامًا لثلاثة أسباب.

(أ) قد يوجد بعض المحفز الطبيعي (مثل المعدن) لبلمرة النوكليوتيدات العشوائية. إذا كان الأمر كذلك ، فربما يكون الحمض النووي الريبي (RNA) قد تم تصنيعه في أماكن كثيرة جدًا على سطح الأرض على مدى فترة زمنية طويلة جدًا ، بحيث يمكن تجميع عدد هائل من المتواليات المختلفة. من الصعب تقييم قيمة هذه الفكرة ، حيث لم يتم اكتشاف مثل هذا المحفز الطبيعي بعد. الاحتمال الآخر هو أن آلية النموذج الخام قد تم تطويرها في مرحلة مبكرة. تمت مناقشة هذا بشكل كامل في الورقة المصاحبة.

(ب) قد تنتج آلية التوليف العشوائي بشكل تفضيلي هياكل ذات حلقات متعددة (تمت مناقشة هذا أيضًا في الورقة المصاحبة) بحيث يمكن تصنيع تسلسلات من هذا النوع (والتي توجد بالفعل في الحمض الريبي النووي النقال والرنا الريباسي) بشكل تفضيلي. علاوة على ذلك ، قد لا تكون أزواج القواعد الفعلية المستخدمة في المناطق المزدوجة الأساسية مهمة لهياكلها. باختصار ، قد لا يكون تخليق الرنا الريباسي المقبول والحمض النووي الريبي بعيد الاحتمال كما يبدو للوهلة الأولى.

(ج) قد تكون التسلسلات الأساسية المطلوبة متكررة. على سبيل المثال ، قد تكون جزيئات الحمض النووي الريبي (tRNA) المبكرة متشابهة جدًا ، حيث تختلف فقط في المضاد الكودون وفي منطقة التجويف المفترض. لكل ما نعرفه ، قد تكون بنية جزيئات الرنا الريباسي الكبيرة متكررة جزئيًا. ربما تم إنتاج هذه التكرارات بسهولة إلى حد ما إذا كان هناك نسخة متماثلة من الحمض النووي الريبي المتاحة. من المحتمل أن يكون الإنزيم الأول عبارة عن جزيء RNA له خصائص متماثلة. وبالتالي فإن النظام الذي يعتمد أساسًا على الحمض النووي الريبي ليس مستحيلًا. يمكن لمثل هذا النظام بعد ذلك أن يبدأ في تصنيع البروتين وبالتالي يمكن أن يتطور بسرعة كبيرة عن طريق الانتقاء الطبيعي. لن نناقش هنا المشكلة الصعبة المتمثلة في كيفية الحفاظ على المكونات المختلفة معًا ، أي أصل الخلية.

الهدف من هذا الرسم هو إثارة إعجاب القارئ بصعوبة المشكلة الكبيرة.

سيكون من الأسهل بالتأكيد أن تحدث تفاعلات كيميائية مجسمة محددة بين الأحماض الأمينية وثلاثة توائم من القواعد ، ولكن حتى لو كانت هذه ممكنة ، فإن أصل آلية الترجمة الريبوزومية الحالية يمثل صعوبات خطيرة.


يجب علينا الآن معالجة طبيعة الكود البدائي والطريقة التي تطورت بها إلى الكود الحالي.


قد يُقال أن الكود البدائي لم يكن رمزًا ثلاثيًا ولكن في الأصل تمت قراءة القواعد واحدة تلو الأخرى (مع إعطاء 4 كودونات) ، ثم اثنان في كل مرة (مع إعطاء 16 كودونًا) ثم تطورت لاحقًا إلى الكود الثلاثي الحالي. يبدو هذا مستبعدًا إلى حد كبير ، لأنه ينتهك مبدأ الاستمرارية.

إن التغيير في حجم الكودون يجعل بالضرورة كل الرسائل السابقة هراءًا ومن المؤكد أنه سيكون مميتًا. هذا يختلف تمامًا عن فكرة أن الكود البدائي كان رمزًا ثلاثيًا (بمعنى أن آلية القراءة تتحرك على ثلاث قواعد في كل خطوة) ولكن ، على سبيل المثال ، تمت قراءة أول قاعدتين فقط. هذا ليس غير قابل للتصديق على الإطلاق.


النقطة العامة التالية حول الكود البدائي هي أنه يبدو من المحتمل أن عددًا قليلاً فقط من الأحماض الأمينية كان متضمنًا. هناك عدة أسباب لذلك. يبدو من غير المحتمل بالتأكيد أن جميع الأحماض الأمينية الحالية كانت متاحة بسهولة في الوقت الذي بدأ فيه الكود. بالتأكيد يبدو التربتوفان والميثيونين مثل الإضافات اللاحقة.

لم يتضح بعد تحديد أي الأحماض الأمينية كانت شائعة بعد ذلك ، على الرغم من أن معظم القوائم ستشمل الجلايسين ، والألانين ، والسيرين ، وحمض الأسبارتيك.

ومع ذلك ، إذا لعب التفاعل الكيميائي التعريفي دورًا في الكود البدائي ، فقد يؤدي ذلك إلى اختيار الأحماض الأمينية التي كانت متاحة ولكنها ليست شائعة بشكل خاص. مرة أخرى ، يبدو من غير المحتمل أن الشفرة الأولية يمكن أن ترمز على وجه التحديد لأكثر من بضعة أحماض أمينية ، لأن هذا من شأنه أن يجعل أصل النظام معقدًا بشكل رهيب.

ولكن كما ووز (1965) ، قد يكون النظام البدائي قد استخدم فئات من الأحماض الأمينية. على سبيل المثال ، ربما تم التعرف على القاعدة الوسطى فقط من الثلاثي ، U في هذا الموضع يقف لأي عدد من الأحماض الأمينية الكارهة للماء ، و A للحمضية ، إلخ.


على الرغم من أنه تم التعرف على عدد قليل من الأحماض الأمينية (أو مجموعات الأحماض الأمينية) ، فمن المحتمل أنه لم يكن هناك الكثير من الأكواد غير المنطقية ، وإلا فإن أي رسالة كانت ستحتوي على الكثير من الفجوات. هناك طرق مختلفة للخروج من هذه المعضلة. على سبيل المثال ، كما ذكر أعلاه ، ربما تم التعرف على قاعدة واحدة فقط من الثلاثي.

الاحتمال الآخر ، مع ذلك ، هو أن الرسالة الأولى لم تتكون من القواعد الأربع الحالية ، ولكن ربما اثنين منها فقط.


عدد القواعد في الحمض النووي البدائي


المتطلبات القوية الوحيدة للحمض النووي البدائي هي أنه كان يجب أن يكون سهل التكاثر ، وأنه كان يجب أن يتكون من أكثر من قاعدة واحدة ، وإلا فلن يحمل أي معلومات في تسلسله الأساسي.

لا يمكن حتى استبعاد احتمال أن يكون التسلسل الأساسي للسلسلتين مكملًا (كما في الحمض النووي الحالي). ربما يكون الهيكل ممكنًا مع قاعدتين فقط حيث تعمل السلسلتان بشكل متوازي (بدلاً من عدم الموازية) ويكون الاقتران متشابهًا. سيكون بالتأكيد ذا أهمية كبيرة إذا أمكن عرض مثل هذه البنية تجريبياً.


إذا تركنا هذا الاحتمال جانباً وقصرنا أنفسنا على الهياكل التكميلية ، فإننا نرى أن عدد القواعد يجب أن يكون متساويًا. إذا كان هناك اثنان فقط في الحمض النووي البدائي ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو أيهما. الخيارات الواضحة هي إما A مع U (أو T) أو G مع C. احتمال أقل وضوحًا (اقترحه د ليزلي أورجيل، التواصل الشخصي) هو A with I (حيث أقف على inosine ، مع وجود Hypoxanthine الأساسي).

ليس من المؤكد أن الحلزون المزدوج يمكن تشكيله باستخدام تسلسل عشوائي من A و I على سلسلة واحدة والتسلسل التكميلي (الذي تمليه أزواج الذكاء الاصطناعي أو IA) على السلسلة الأخرى ، ولكن هذا ليس بعيد الاحتمال ، على وجه الخصوص مثل بوليمرات RNA poly A و poly يمكنني تكوين حلزون مزدوج.


يمكن المطالبة بالعديد من المزايا لهذا المخطط. من المحتمل أن يكون الأدينين هو القاعدة الأكثر شيوعًا المتوفرة في الحساء البدائي ، ويمكن أن ينشأ منه الإينوزين عن طريق نزع الأمين.

وبالتالي قد يكون توفير السلائف أسهل مما هو عليه في حالة البديلين الآخرين ، على الرغم من مدى صحة ذلك لا يزال يتعين إثباته. ثم مرة أخرى في تسلسل عشوائي (A ، I) ، من المفترض أن أكود بنفس الطريقة التي يعمل بها G الآن ، على أي معدل لأول موضعين من الثلاثي.

إذا تمكنا من استخدام الكود الحالي كدليل (على الرغم من أننا سنقول لاحقًا أن هذا قد يكون مضللًا) ، فمن الملاحظ أن الثلاثة توائم تحتوي فقط على A أو G في قاعدتها الأولى والثانية (الزاوية اليمنى السفلية) من الجدول) بالفعل رمز لبعض الأحماض الأمينية البدائية الأكثر وضوحًا.


من المهم ملاحظة أن مخططًا من هذا النوع (أو حتى مخطط مع الاقتران المتماثل بالمثل) لا ينتهك مبدأ الاستمرارية. للتغيير من حلزون مزدوج (A ، I) إلى واحد مثل الموجود ولكن مع وجود A و I و U و C ، فإن الخطوات الوحيدة المطلوبة هي تغيير في النسخة المتماثلة لاختيار أزواج أساسية أصغر ، وتزويد سلائف جديدة. لم يتم تغيير الرسالة التي تحملها السلسلة "الأحدث" بهذه الخطوة.

ستنتج الطفرات تدريجياً وحدات U و C في هذه السلسلة ويمكن استخدام الكودونات الجديدة المنتجة بهذه الطريقة مع تطور آلية تخليق البروتين.

في نهاية المطاف ، سيتم استبدال G بـ I في أي مرحلة من المراحل لن تصبح الرسالة محض هراء. وبالتالي فإن فكرة احتواء الحمض النووي الأولي على قاعدتين فقط هي فكرة معقولة للغاية.

يبقى أن نرى ما إذا كان يمكن بناء RNA الريبوسومي البدائي و tRNA البدائي باستخدام قاعدتين فقط.


البديل الكيميائي المجسم


كما ذكرنا سابقًا ، يبدو أنه من غير المحتمل جدًا وجود أي علاقة كيميائية مجسمة بين جميع الأحماض الأمينية الحالية وثلاثة توائم محددة من القواعد ، لكن لا يُستبعد بأي حال من الأحوال أن بعض الأحماض الأمينية يمكن أن تتفاعل بهذه الطريقة.

إذا كان هذا ممكنًا ، فسيساعد بالتأكيد في المراحل الأولى من تطور الكود.

ومع ذلك ، عاجلاً أم آجلاً ، كان لا بد من إجراء انتقال إلى النوع الحالي من النظام ، بما في ذلك الحمض الريبي النووي الريبي ، والريبوزومات ، وما إلى ذلك. عدد قليل نوعا ما من الأحماض الأمينية.

تطور الكود البدائي


مهما كانت الخطوات المبكرة في تطور الشفرة ، يبدو من المرجح جدًا أنها مرت بمرحلة لم يتم فيها ترميز سوى عدد قليل من الأحماض الأمينية.

في هذه المرحلة إما أن الآلية كانت غير دقيقة إلى حد ما ، وبالتالي يمكن التعرف على معظم التوائم الثلاثة ، أو تم استخدام بضعة توائم قليلة فقط ، ربما لأن الرسالة احتوت على نوعين فقط من القواعد. يجب أن نفكر الآن فيما سيحدث بعد ذلك.


يجب إدخال تعقيد في هذه الصورة البسيطة. من الممكن أن تكون آليات التعرف في هذه المرحلة غير دقيقة للغاية وأن أي كودون معين يتوافق مع مجموعة من الأحماض الأمينية (انظر ووز، 1965 ، الذي أكد هذه النقطة).

وبالتالي ، قد تشتمل أكواد الألانين أيضًا على الجلايسين ، وقد ترمز تلك الخاصة بالثريونين أيضًا إلى السيرين ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، فليس من المؤكد بأي حال من الأحوال حدوث ذلك. يبدو من المحتمل جدًا أن تقبل `` التجويف '' لقبول الثريونين سيرين أيضًا إلى حد ما ، لكن الخطأ العكسي أقل احتمالًا ويمكن أن يعتمد على الطبيعة الدقيقة للبنية المعنية. وهكذا ، على الرغم من أن آلية التشفير المبكرة ربما تسببت في حدوث أخطاء ، إلا أننا لا نستطيع إلا أن نخمن مدى هذه الأخطاء.


يجب أن نجادل في أن الخطوة الأكثر ترجيحًا إلى حد بعيد كانت أن هذه الأحماض الأمينية البدائية انتشرت في جميع أنحاء الكود حتى تمثل جميع التوائم الثلاثة تقريبًا واحدًا أو آخرًا منهم.

أسباب اعتقادنا بهذا هو أنه سيتم بالتأكيد اختيار عدد كبير جدًا من التوائم الثلاثية غير المنطقية ، بحيث يتم استخدام معظم الكودونات بسرعة (سونبورن، 1965). بالإضافة إلى ذلك ، سيكون من الأسهل إنتاج الحمض النووي الريبي الجديد ، الذي يتم تغييره فقط في مضاد الكودون الخاص به ، مع استمرار التعرف على الأحماض الأمينية ، بدلاً من إنتاج كل من مضادات الكودون الجديدة ونظام التعرف الجديد لربط حمض أميني جديد.

وبالتالي ، يمكننا أن نتوقع بشكل معقول أن يكون للشفرة الوسيطة خاصيتان:

(ط) تم ترميز عدد قليل من الأحماض الأمينية ، و

(2) يمكن قراءة جميع التوائم الثلاثة تقريبًا.

علاوة على ذلك ، وبسبب الطريقة التي نشأت بها هذه الشفرة البدائية ، فمن المحتمل أن تكون التوائم الثلاثة التي تمثل أي حمض أميني واحد مرتبطة ببعضها البعض.

في هذه المرحلة ، يمكن للكائن الحي فقط أن ينتج بروتينًا مصنوعًا بشكل فظ ، نظرًا لأن عدد الأحماض الأمينية التي يمكنه استخدامها كان صغيرًا وربما لم تتطور البروتينات على نطاق واسع جدًا.


ستشمل الخطوات الأخيرة في تطور الكود زيادة في دقة التعرف وإدخال أحماض أمينية جديدة. سيتعين على الخلية إنتاج tRNA جديد وإنزيم منشط جديد للتعامل مع أي حمض أميني جديد ، أو أي حمض أميني ثانوي تم دمجه بالفعل بسبب أخطاء في التعرف عليه.

هذا الحمض الريبي النووي النقال الجديد سيتعرف على ثلاثة توائم والتي ربما كانت تستخدم بالفعل لحمض أميني موجود. إذا كان الأمر كذلك ، فستكون هذه الثلاثة توائم غامضة.

لتحقيق النجاح ، لا بد من استيفاء شرطين.

(1) يجب ألا يفسد الحمض الأميني الجديد الكثير من البروتينات التي تم دمجها فيه. من غير المرجح أن يحدث هذا الاضطراب إذا كان هناك ارتباط بين الأحماض الأمينية القديمة والجديدة.

(2) يجب أن يكون الحمض الأميني الجديد ميزة إيجابية للخلية في بروتين واحد على الأقل. يجب أن تكون هذه الميزة أكبر من مساوئ تقديمها في مكان آخر.

باختصار ، يجب أن يعطي إدخال الحمض الأميني الجديد ، بشكل متوازن ، ميزة تكاثرية للخلية.


من أجل توحيد التغيير ، نتوقع العديد من الطفرات الإضافية ، واستبدال الكودونات الغامضة بكودونات أخرى للحمض الأميني السابق عندما كان هذا أفضل إلى حد ما بالنسبة للبروتين من البروتين الأحدث. وبالتالي ، ستتوقف الكودونات المعنية في النهاية عن الغموض وستكون رمزًا للحمض الأميني الجديد فقط.


هناك العديد من الأسباب التي تجعل المرء يتوقع مثل هذا الاستبدال لحمض أميني بآخر يحدث بين الأحماض الأمينية المتشابهة بنيوياً.

  • أولاً ، كما ذكر أعلاه ، فإن مثل هذا التشابه من شأنه أن يقلل من الآثار السيئة للاستبدال الأولي.

  • ثانيًا ، من المحتمل أن يبدأ الحمض الريبي النووي النقال الجديد كنسخة جينية من الحمض الريبي النووي النقال الموجود لتلك الكودونات.

علاوة على ذلك ، قد يكون الإنزيم المنشط الجديد تعديلًا للإنزيم المنشط الحالي.

قد يكون هذا مرة أخرى أسهل إذا كانت الأحماض الأمينية مرتبطة. وبالتالي ، فإن التأثير الصافي لسلسلة كاملة من هذه التغييرات سيكون أن الأحماض الأمينية المماثلة تميل إلى أن يكون لها أكواد مماثلة ، وهو ما نلاحظه في الكود الحالي.


من الواضح أن مثل هذه الآلية لإدخال الأحماض الأمينية الجديدة لا يمكن أن تنجح إلا إذا تم ترميز الرسالة الجينية للخلية لعدد صغير فقط من البروتينات وخاصة البروتينات التي تم بناؤها بشكل فظ إلى حد ما. مع تقدم العملية وتطور الكائن الحي ، سيتم تشفير المزيد والمزيد من البروتينات وسيصبح تصميمها أكثر تعقيدًا حتى يصل المرء في النهاية إلى نقطة لا يمكن فيها إدخال حمض أميني جديد دون تعطيل الكثير من البروتينات.

في هذه المرحلة سيتم تجميد الكود. لاحظ أنه لا يتبع بالضرورة أن الكودونات الأصلية للشفرة البدائية الأصلية (على عكس الكود الوسيط) ستحتفظ بالضرورة بتخصيصاتها للأحماض الأمينية البدائية. بعبارة أخرى ، ربما يكون تطور الكود قد قضى على كل أثر للشفرة البدائية.

لهذا السبب ، لا ينبغي أن تعتمد الحجج حول أي من أزواج الكارن المستخدمة أولاً على الحمض النووي بشكل كبير على تخصيصات الكود الحالي.

الفكرة الموصوفة أعلاه مهمة لتطوير الكود. يبدو لي أنها ليست نفس الفكرة التي اقترحها العديد من المؤلفين (سونبورن، 1965 Goldberg & amp ويتس، 1966) ، أن الكود مصمم لتقليل آثار الطفرات. المعنى الضمني هو أن الطفرات هي تلك التي تحدث في العديد من بروتينات الكائن الحي ، ولا تزال تحدث حتى اليوم.

هذا ليس هو نفسه تمامًا فكرة أن الوضع الناتج عن إدخال حمض أميني جديد إلى الكود النامي هو الذي يتعين علينا مراعاته. علاوة على ذلك ، كان لا بد من التقليل من الاضطرابات ليس إلى البروتينات الحالية ولكن إلى العدد الصغير من البروتينات الأكثر بدائية الموجودة في ذلك الوقت.

إن تقليل آثار الطفرات من المحتمل على أي حال أن يكون له ميزة انتقائية صغيرة فقط حتى في الوقت الحاضر ، وأعتقد أنه من غير المحتمل أن يكون لها أي تأثير ملموس في تشكيل الشفرة الجينية. ووز (1967) أشار إلى نفس النقطة.


فكرة قريبة إلى حد ما من تلك المعروضة أعلاه تم تطويرها بواسطة ووز (1965). وأكد في مناقشته حقيقة أن آلية الترجمة المبكرة ربما تكون عرضة للأخطاء. هذه بالفعل فكرة مهمة وقد تكون ما حدث بالفعل ولكنها ليست مطابقة للفكرة المقترحة أعلاه ، كما يمكن رؤيتها بسهولة من خلال الافتراض غير المحتمل إلى حد ما بأن الآلية المبكرة كانت دقيقة إلى حد ما.

في هذه الحالة ، فإن أفكار Woese ليست ذات صلة بالموضوع ويتم توجيه المرء إلى المخطط الموضح أعلاه.

ومع ذلك ، فإن مناقشة Woese (ووز، 1967) إلى حد كبير نفس الخط المعروض هنا. ومع ذلك ، يجادل بأنه من خلال هذه الآلية ، من غير المحتمل أن تصل الشفرة إلى الشفرة المثلى حقًا.

ومع ذلك ، لا يوجد سبب للاعتقاد بأن الكود الحالي هو أفضل ما يمكن ، وكان من الممكن أن يصل بسهولة إلى شكله الحالي من خلال سلسلة من الحوادث السعيدة. بمعنى آخر ، قد لا يكون نتيجة تجربة جميع الرموز الممكنة واختيار الأفضل. بدلاً من ذلك ، قد يتم تجميده عند الحد الأدنى المحلي الذي وصل إليه بواسطة مسار عشوائي إلى حد ما.


من ناحية أخرى ، تم توضيح الفكرة الأساسية بوضوح شديد توماس هـ جوكس (1966) في كتابه الجزيئات والتطور (ص 70) على الرغم من أنه لا يعطيها أي تركيز خاص.


هناك سمة واحدة للعملية التي تمت من خلالها إضافة أحماض أمينية جديدة إلى كود بدائي بعيد عن الوضوح. هذا هو السبب في عدم ظهور العديد من إصدارات الشفرة الجينية. من السهل بالطبع أن نقول إنه في الواقع ظهر العديد منها ونجا الأفضل منها فقط ، لكن الحجة عابرة إلى حد ما. ستشمل المناقشة التفصيلية لما كان من المحتمل أن يحدث في هذه الفترة النظر في إعادة التركيب الجيني.

هل حدث في مرحلة مبكرة جدًا ، ربما حتى قبل تطور الخلية ، وإذا كان الأمر كذلك ، فما الشكل الذي اتخذته؟ والمثير للدهشة أنه لا يبدو أن أي كاتب حول تطور الكود قد أثار هذه النقطة. بطبيعة الحال ، من المتوقع فقط عمليات بسيطة نوعًا ما ، لكن المزايا الانتقائية لمثل هذه العملية ستكون عظيمة جدًا. ربما تكفي عملية اندماج بسيطة لأصل الكود (اقتراح قدمه د سيدني برينر، اتصال شخصي).

هذا من شأنه أن يوفر جينات احتياطية لمزيد من التطور وبقدر ما اختلفت شفرة الكائنات المندمجة ، فإنها ستنتج غموضًا مثمرًا.

قد يجادل المرء في أن السكان الذين هزموا جميع منافسيهم ونجوا هم أول من طور الجنس ، وهو تطور غريب بالنسبة أسطورة جنة عدن.


الميزات العامة للمدونة


يجب أن نعود الآن ونسأل ما إذا كان بإمكاننا شرح الميزات العامة للكود من حيث الأفكار الموضحة أعلاه.

القواعد الأربع المتميزة
لقد جادلنا أنه في الأصل ربما كان هناك قاعدتان فقط في الحمض النووي. لماذا يجب أن يكون هناك أربعة اليوم؟ يبدو أن الإجابة المحتملة هي أن أربعة كانت ممكنة من الناحية الفراغية (أي يمكن أن تتناسب مع بنية ثنائية الحلزونية) وأن الرقمين كانا مقيدًا للغاية.

إذا تم تمييز القاعدتين الأوليين فقط في الأصل الثلاثي ، يمكن للآلية ترميز أربعة أشياء فقط (ثلاثة أحماض أمينية ومساحة؟) ، وحتى إذا تم تطبيق آلية "التذبذب" الحالية فقط ثمانية أشياء كحد أقصى يمكن ترميزها . قد يكون هذا قليلًا جدًا لبناء بروتينات فعالة حقًا.


وقد نوقش في مكان آخر ما إذا كانت ستة أزواج أساسية متميزة ممكنة من الناحية الكيميائية الفراغية (ريتش ، 1962 كريك ، 1964). يجب أن يكون من الممكن تسوية هذه النقطة بشكل تجريبي.


لماذا الثلاثي؟
لقد جادلنا بأن الكود يجب أن يكون أساسًا رمزًا ثلاثيًا منذ مرحلة مبكرة جدًا ، بحيث لا يحق للمرء استخدام حجج معقدة لا تنطبق إلا على مرحلة لاحقة ، على الرغم من أنه يمكن للمرء أن يجادل بأن الكائنات الحية المبكرة ذات الرموز المزدوجة أو الرباعية كانت موجودة بالفعل ولكنها انقرضت ، ولم يبق سوى الشفرة الثلاثية.


ومع ذلك ، فإننا نميل إلى الشك في أن السبب في هذه الحالة قد يكون هيكليًا. إذا لم تكن هناك بالفعل علاقة كيميائية مجسمة مباشرة بين حمض أميني وثلاثي ، فقد يكون من الصعب حل مشكلة إنشاء محول للتعرف على الكودون.

في الواقع ، يريد المرء القيام بعمل معقد من التعرف داخل مساحة محدودة نوعًا ما ، نظرًا لأن محولين يحتاجان إلى الاستلقاء جنبًا إلى جنب ، وإرفاقهما بكودونات متجاورة على الرنا المرسال ، أثناء عملية التوليف. ربما يكون هذا صعبًا جدًا إذا تم استخدام البروتين للمحول. من ناحية أخرى ، يمكن للحمض النووي ، من خلال استخدام آلية الاقتران الأساسي ، القيام بعمل أنيق للغاية في مساحة صغيرة.


لأسباب مختلفة ، لا يمكن أن يكون المحول جزيءًا بسيطًا جدًا. على سبيل المثال ، يجب تجميع الأحماض الأمينية الموجودة على المحولات المجاورة معًا - ربما يتم ذلك في الوقت الحاضر باستخدام المرونة. ذيل CCA. يجب أن يكون له ، إلى حد ما ، بنية محددة ومن المحتمل أن يعتمد هذا على امتدادات الحلزون المزدوج. وبالتالي ، فإن قطر اللولب المزدوج (حيث قد يضطر اثنان إلى الاستلقاء جنبًا إلى جنب) قد يملي حجم الكودون ، حيث أن الشفرة المزدوجة (تتحرك على قاعدتين في وقت واحد) من شأنها أن تمثل مشكلة التعرف المستحيلة .


الأحماض الأمينية العشرون
وفقًا للنظرية الموضحة أعلاه ، فإن الرقم 20 والأحماض الأمينية الفعلية في الكود هي على الأقل جزئيًا بسبب حادث تاريخي.


لاحظ أولاً أنه إذا كانت نظرية التذبذب للتفاعل بين الكودون و anticodon صحيحة ، فإن الحد الأقصى لعدد الأشياء التي يمكن ترميزها بطريقة إيجابية هو 32 (لنقل 31 من الأحماض الأمينية ونهاية السلسلة) ليس 64. وبالتالي ، فإن المضاعفات المتعددة تمثيل ثمانية من الأحماض الأمينية ليس مفرطًا.

وفقًا لوجهة النظر هذه ، تظهر ثمانية فقط من أصل 21 شيئًا مشفرًا أكثر من مرة. إذا تطورت الشفرة كما اقترحت ، فسيكون من المدهش في الواقع أن يحدث كل حمض أميني مرة واحدة فقط. ومع ذلك ، لا يجب الوثوق بنظرية التذبذب كثيرًا ، وذلك فقط لأنها لا تفسر بسهولة حقيقة أن رموز UGA تختلف عن كل من UG U ج و UGG.

قد لا تكون مناقشة الأحماض الأمينية الفعلية المستخدمة في الكود مربحة للغاية. من الواضح أن بعض الأحماض الأمينية الأقل شيوعًا ، مثل السيستين والهيستيدين ، تتمتع بميزة بسبب تفاعلها الكيميائي ، ولكن ، على سبيل المثال ، يمكن تبرير الميثيونين بهذه الطريقة يبدو أقل وضوحًا. قد يكون من المفيد التفكير في أي الأحماض الأمينية غير مستخدمة في الكود.

ومع ذلك ، فإن الإجابة ، إذا كان هذا المخطط العام صحيحًا ، تعتمد حقًا على اعتبارات معقدة للغاية ، عرضية جزئيًا ، أثناء التطور المبكر للشفرة. على وجه الخصوص ، سيعتمد على الطبيعة الدقيقة للبروتينات البدائية. يبدو من غير المحتمل أن يتوصل المرء إلى أي استنتاجات قاطعة باتباع هذا الخط من الجدل.


كما ذكرنا سابقًا ، تشرح النظرية بطريقة عامة سبب استخدام الأحماض الأمينية المماثلة في كثير من الأحيان لشفرات متشابهة. هذا لا يجيب على السؤال عما إذا كان تخصيص أحماض أمينية معينة يرجع بالكامل إلى الصدفة.

ومع ذلك ، إذا افترضنا أن الكود البدائي يستخدم جزيئات الحمض النووي الريبي وأن موقع التعرف على الحمض الأميني كان مختلفًا عن مضاد الكودون ، فعندئذٍ حتى لو لم يكن الإنزيم المنشط موجودًا في هذه المرحلة وبدلاً من ذلك تم تركيب الحمض الأميني في قفص معين في الحمض النووي الريبي ، يمكن أن يكون الارتباط بين الأحماض الأمينية ومضادات الكودون ناتجًا عن الصدفة البحتة.

وبالتالي ، فإن الكود الذي يحتوي على هذه الخاصية ليس شائنًا. تذكر دائمًا أن جزيئات الحمض الريبي النووي النقال الحالية يجب أن تكون قد تطورت بالضرورة في وقت أو آخر.

النظريتان متناقضتان


تطور الكود الموضح هنا له خاصية أنه يمكن أن ينتج رمزًا يكون فيه التخصيص الفعلي للأحماض الأمينية إلى الكودونات عرضيًا بشكل أساسي ، ومع ذلك فمن المتوقع أن يكون للأحماض الأمينية ذات الصلة أكواد ذات صلة.

تبدو النظرية معقولة ، لكنها تعاني من عيب كبير كنظرية: فهي ملائمة للغاية.

بطريقة فضفاضة يمكن أن تشرح أي شيء. العيب الثاني هو أن الخطوات المبكرة اللازمة لتشغيل النظام يبدو أنها تتطلب الكثير من تأثير الصدفة. نظرية من هذا النوع ليست بالضرورة عديمة الجدوى إذا كان بإمكان المرء الوصول إلى الحقائق تجريبيًا. لسوء الحظ ، هذا هو بالضبط ما يصعب القيام به في هذه المشكلة.

من ناحية أخرى ، فإن النظرية التي تنطوي على علاقات كيميائية مجسمة بين الأحماض الأمينية وثلاثية توائم ، لا تجعل من السهل فقط رؤية كيف يمكن أن يبدأ النظام ولكن هناك على الأقل فرصة معقولة أن التجارب المصممة جيدًا يمكن أن تثبت أن مثل هذه التفاعلات المحددة ممكنة. لذلك من الضروري متابعة النظرية الفراغية الكيميائية.

ومع ذلك ، فإن النماذج الغامضة لمثل هذه التفاعلات قليلة الفائدة. ما هو مطلوب هو دليل تجريبي مباشر على حدوث هذه التفاعلات (معبرًا عنها بثوابت ملزمة) وبعض الأفكار عن خصوصيتها.


مراجع

Buhrman H ، van der Gulik PTS ، Klau GW ، Schaffner C ، Speijer D ، Stougie L (2013) نموذج واقعي يكون بموجبه الكود الجيني هو الأمثل. J Mol Evol 77: 168–182

Crick FHC، Brenner S، Klug A، Pieczenik G (1976) تكهنات حول أصل تخليق البروتين. أصل الحياة 7: 389-397

Di Giulio M (1989a) الامتداد الذي تم التوصل إليه عن طريق تقليل مسافات القطبية أثناء تطور الشفرة الوراثية. جيه مول إيفول 29: 288-293

دي جوليو إم (1989 ب) بعض جوانب تنظيم وتطور الشفرة الجينية. جيه مول إيفول 29: 191 - 201

دي جوليو إم (1991) حول العلاقات بين فرضية التطور المشترك للشفرة الجينية والفرضية الفيزيائية الكيميائية. Z Naturforsch C 46: 305-312

Di Giulio M (1996): صفائح من البروتينات ، والعلاقات التخليقية الحيوية بين الأحماض الأمينية ، وأصل الكود الجيني. Orig Life Evol Biosph 26: 589-609

دي جوليو إم (1997) حول أصل الشفرة الجينية. J Theor Biol 187: 573-581

دي جوليو إم (1998) تأملات في أصل الكود الجيني: فرضية. J Theor Biol 191: 191–196

دي جوليو إم (2002) أصل الكود الجيني: هل مسارات نوع Glu-tRNA (Gln) - & gt Gln-tRNA (Gln) أحافير جزيئية أم لا؟ جيه مول إيفول 55: 616-622

دي جوليو إم (2003) المراحل المبكرة من أصل الشفرة الجينية: التخمينات حول تطور الحفز المشفر. أصل الحياة Evol Biosph 33: 479-489

دي جوليو إم (2008 أ) امتداد لنظرية التطور المشترك لأصل الشفرة الجينية. بيول دايركت 3:37

دي جوليو إم (2008 ب) لماذا نشأت الشفرة الجينية. الآثار المترتبة على أصل تخليق البروتين. رموز الحياة: قواعد التطور الكبير (الفصل 4). سبرينغر ، دوردريخت ، ص 59-67

Di Giulio M، Medugno M (1998) العامل التاريخي: العلاقات التخليقية بين الأحماض الأمينية وخصائصها الفيزيائية والكيميائية في أصل الكود الجيني. جيه مول إيفول 46: 615-621

Di Giulio M، Medugno M (2001) مستوى ومشهد التحسين في أصل الكود الجيني. جيه مول إيفول 52: 372-382

Di Giulio M، Capobianco MR، Medugno M (1994) حول تحسين المسافات الفيزيائية والكيميائية بين الأحماض الأمينية في تطور الشفرة الجينية. J Theor Biol 186: 43-51

Fitch W، Upper K (1987) تقدم نسالة تسلسل الحمض النووي الريبي (tRNA) دليلاً على تقليل الغموض في أصل الكود الجيني. كولد سبرينج هاربور سيمب كوانت بيول 52: 759-767

فرانسيس بي آر (2011) بديل لفرضية العالم للحمض النووي الريبي. الاتجاهات Evol Biol 3: e2

فرانسيس بي آر (2013) تطور الكود الجيني عن طريق الدمج الذي أدى إلى تحسين أو تغيير وظيفة البروتين. J Mol Evol 77: 132–156

Freeland SJ، Hurst LD (1998) الشفرة الجينية هي واحد في المليون. جيه مول إيفول 47: 238-248

Higgs PG ، Pudritz RE (2009) أساس ديناميكي حراري لتخليق الأحماض الأمينية البريبايوتيك وطبيعة الكود الجيني الأول. علم الأحياء الفلكي 9: 483-490

Ikehara K (2002) أصول الجينات والشفرة الجينية والبروتين والحياة: نظرة شاملة لأنظمة الحياة من فرضية الشفرة الجينية البدائية لـ GNC-SNS. J Biosci 27: 165–186

Jungck JR (1978) الشفرة الوراثية كجدول دوري. جيه مول إيفول 11: 211-224

لاسي جي سي جونيور ، مولينز دي دبليو جونيور (1983) دراسات تجريبية تتعلق بأصل الكود الجيني وعملية تخليق البروتين - مراجعة. أصل الحياة ١٣: ٣-٤٢

لاسي جي سي جونيور ، ويكراماسينج NSMD ، كوك جي دبليو (1992) دراسات تجريبية حول أصل الكود الجيني وعملية تخليق البروتين: تحديث للمراجعة. أصل الحياة Evol Biosph 22: 243–275

Morgens DW (2013) غزو البروتين: مراجعة واسعة لأصل النظام الترجمي. جيه مول إيفول 77: 183–194

شيميزو إم (1982) الأساس الجزيئي للشفرة الجينية. جيه مول إيفول 18: 297-303

Sonneborn TM (1965) انحلال الشيفرة الجينية: المدى والطبيعة والآثار الجينية. في: Bryson V ، Vogel HJ (محرران) تطور الجينات والبروتينات. المطبعة الأكاديمية ، نيويورك ، ص 377-397

Stephenson JD ، Freeland SJ (2013) الكشف عن جذور تشابه الأحماض الأمينية. جيه مول إيفول 77: 157–167

Szathmáry E (1993) يعالج أنزيم الترميز: فرضية لأصل الكود الجيني. Proc Natl Acad Sci USA 90: 9916-9920

Taylor FJR، Coates D (1989) الكود داخل الكودونات. النظم البيولوجية 22: 177-187

Trifonov EN (2000) إجماع الترتيب الزمني للأحماض الأمينية وتطور الكود الثلاثي. جين 261: 139-151

Trifonov EN (2004) الكود الثلاثي من المبادئ الأولى. J Biomol Struct Dyn 22: 1-11

Weber AL ، Lacey JC Jr (1978) ارتباطات الشفرة الوراثية: الأحماض الأمينية ونيوكليوتيداتها المضادة. جيه مول إيفول 11: 199-210

Woese CR (1967) الكود الجيني. هاربر وأمبير رو ، نيويورك

Woese CR، Dugre DH، Dugre SA، Kondo M، Saxinger WC (1966) حول الطبيعة الأساسية وتطور الشفرة الجينية. كولد سبرينج هاربور سيمب كوانت بيول 31: 723-736

Wong JT (1975) نظرية التطور المشترك للشفرة الجينية. Proc Natl Acad Sci USA 72: 1909-1912

Wong JT (1980) دور تقليل المسافات الكيميائية بين الأحماض الأمينية في تطور الكود الجيني. Proc Natl Acad Sci USA 77: 1083-1086

Wong JT (1988) تطور الشفرة الجينية. علوم الميكروبيول 5: 174 - 182

Wong JT (1991) أصل تخليق البروتين المشفر وراثيًا وهو نموذج يعتمد على الانتقاء لببتيد الحمض النووي الريبي. أصل الحياة Evol Biosph 21: 165–176

Wong JT (2005) نظرية التطور المشترك للشفرة الوراثية في سن الثلاثين. BioEssays 27: 416-425

ياروس إم (1998) الأحماض الأمينية مثل روابط الحمض النووي الريبي: نظرية قالب الحمض النووي الريبي المباشر لأصل الكود. J Mol Evol 47: 109-117

Yarus M و Widmann JJ و Knight R (2009) ربط الحمض النووي الريبي بالأحماض الأمينية: حقبة كيميائية مجسمة للشفرة الجينية. جيه مول إيفول 69: 406-429


الكود الجيني: المعنى ، الكودونات والخصائص

يتكون الكود الجيني من كلمات مكونة من سلسلة من القواعد النوكليوتيدية وسلسلة من الأحماض الأمينية. تتكون كل كلمة في الكود من ثلاث قواعد نيوكليوتيدية. الكلمات الجينية تسمى الكودونات.

كودونز - كلمات وراثية:

أنا. عادة ما يتم تقديم الكودونات في الرسول RNA.

ثانيا. تُستخدم قواعد النوكليوتيدات الأربعة [Adenine (A) و Guanine (G) و Cytosine (C) و Uracil (U)] لتشكيل الكودونات ثلاثية القواعد. لذلك ، يتم تشكيل 64 مجموعة مختلفة من القواعد ، مأخوذة من ثلاث قواعد في وقت واحد (4 3).

ثالثا. تكون متواليات النوكليوتيدات دائمًا مكتوبة ومختصرة من النهاية 5 & # 8242 إلى النهاية 3 & # 8242.

(أ) ترجمة الكودونات:

واحد وستون من 64 كودون لرمز الأحماض الأمينية العشرين الشائعة. على سبيل المثال ، الكودون 5 & # 8242-CAU-3 & # 8242 رموز للحامض الأميني ، بينما رموز 5 & # 8217AUG-3 & # 8242 لـ methio & shynine.

(ب) رموز الإنهاء (إيقاف أو هراء):

(1) ثلاثة أكواد (UAG و UGA و U AA) لا ترمز للأحماض الأمينية ، وبالتالي ، يطلق عليها رموز إنهاء.

(2) إذا ظهر أحد هذه الكودونات في تسلسل mRNA ، فإنه يشير إلى التوليف الكامل لسلسلة الببتيد المشفرة بواسطة هذا الرنا المرسال.

خصائص الكود الجيني:

(أ) ثلاثة أكواد (UAA ، UAG ، UGA) لا ترمز إلى أحماض أمينية معينة ، وقد أطلق عليها اسم أكواد لا معنى لها. يتم استخدام ما لا يقل عن 2 من هذه الكودونات غير المعنوية في الخلية كإشارات إنهاء ، فهي تحدد مكان توقف بلمرة الأحماض الأمينية في جزيء البروتين. الكودونات الـ 61 المتبقية لـ 20 حمض أميني. لذلك يجب أن يكون هناك انحلال في الشفرة الجينية.

(ب) يتم تمثيل كل حمض أميني باستثناء الميثيونين بعدة أكواد.

(ج) تسمى الكودونات التي تمثل نفس الحمض الأميني مرادفات.

لأي كودون محدد ، يشار فقط إلى حمض أميني واحد. لذا فالشفرة الجينية واضحة وخجولة. مع استثناءات قليلة ، بالنظر إلى كودون معين ، سيتم دمج حمض أميني معين فقط على الرغم من أنه ، مع إعطاء حمض أميني معين ، قد يتطلبه أكثر من كودون واحد.

ثالثا. غير التداخل:

جميع الكودونات هي مجموعات مستقلة من 3 قواعد. لا يوجد تداخل.

رابعا. عالمية:

(أ) في جميع الكائنات الحية الشفرة الجينية هي نفسها.

(ب) تتم قراءة الكودون AUA كرموز Met و UGA لـ Trp في ميتوكون وشيدريا الثدييات ، وتقرأ الكودونات AGA و AGG ككودونات توقف أو سلسلة إنهاء. لذا فإن الميتو والشيكوندريا تتطلب فقط 22 جزيءًا من الحمض الريبي النووي النقال لقراءة شفرتها الجينية ، في حين أن نظام الترجمة الخلوية والشيكوندريا يمر ببعض مكملات من 31 نوعًا من الحمض الريبي النووي النقال. تشير هذه الاستثناءات إلى أن الشفرة الجينية عالمية.

v. Commalessness:

تتم قراءة الكود الجيني من نقطة بداية ثابتة كتسلسل مستمر من القواعد مأخوذ من ثلاثة في كل مرة. إذا تمت إضافة أو حذف نيوكليوتيدات واحدة أو اثنتين من داخل تسلسل الرسائل ، تحدث طفرة تحول الإطار ويتم تغيير إطار القراءة.

وتجدر الإشارة إلى أنه في حالة إضافة ثلاثة نيوكليوتيدات ، يتم إضافة حمض أميني جديد إلى البيب والشيتيد ، أو إذا تم حذف ثلاثة نيوكليوتيدات ، يتم فقد حمض أميني. في مثل هذه الحالات ، لا يتأثر إطار القراءة.

تمايل:

تصف فرضية التمايل الآلية التي يمكن من خلالها للـ tRNAs التعرف على أكثر من كودون واحد لحمض أميني معين. في هذه الفرضية ، القاعدة الموجودة في الطرف 5 & # 8242 من anticodon لا يتم تفكيكها وإخفائها مثل القاعدتين الأخريين. تسمح حركة القاعدة الأولى بإقران قاعدة غير تقليدية مع 3 & # 8242-base of the codon. هذه الحركة تسمى التذبذب.

يحتوي الكائن بدائية النواة على كروموسوم دائري مفرد مزدوج الشريطة ملفوف للغاية. يرتبط كل كروموسوم ببروتينات تشبه النغمة و RNA التي يمكنها تكثيف الحمض النووي لتشكيل نواة.

(ط) بالإضافة إلى النوكليويد ، تحتوي معظم أنواع البكتيريا أيضًا على جزيئات DNA صغيرة دائرية وخالية من الكروموسومات تسمى البلازميدات.

(2) يحمل DNA Plasmid معلومات وراثية ويخضع لتكرار قد يكون أو لا يكون مرتبطًا بانقسام الكروموسومات.

(3) قد يحمل البلازميد الجينات التي تسبب مقاومة المضاد والشيبيوتيك للبكتيريا المضيفة ويمكن أن تسهل نقل الجينات الوراثية والخجل من بكتيريا إلى أخرى.

(4) تستخدم البلازميدات كناقلات في تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف.

النسخ المتماثل شبه المحافظ:

يمكن أن يعمل كل خيط من الحمض النووي نتيجة لفصل خيطي الحلزون المزدوج للحمض النووي كقالب مؤقت لتكرار خيط مكمل جديد ينتج جزيئين من الأبناء يحتوي كل منهما على خيطي DNA مع اتجاه معاكس. هذه العملية تسمى النسخ شبه المحافظ.


واتسون ، جي دي ، وكريك ، إف إتش سي ، طبيعة سجية, 171, 737 (1953).

ووز ، سي آر ، وآخرون., بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد. علوم., 55, 966 (1966).

ووز ، سي آر ، بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد. علوم., 59, 110 (1968).

واجنر ، ك.ج. ، وأراف ، ر. بيوتشيم., 7, 1771 (1968).

برامز ، ج. ، ميشيلسون ، إيه إم ، وفان هولدي ، ك.إي. جيه مول. بيول., 15, 467 (1966).

لينج ، إم ، وفلسنفيلد ، ج. جيه مول. بيول., 15, 455 (1966).

باكون ، إف ، وميشيلسون ، إيه إم ، بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد. علوم., 53, 1425 (1965).

شفايتسر ، م. وآخرون., ج. عامر. تشيم. شركة, 90, 1042 (1968).


شاهد الفيديو: ما هي الجينات وكيف تعمل (شهر فبراير 2023).