Degeneration des genetischen Codes: allgemeine Informationen. Biosynthese von Proteinen und Nukleinsäuren

Chemische Zusammensetzung und strukturelle Organisation des DNA-Moleküls.

Nukleinsäuremoleküle sind sehr lange Ketten, die aus vielen Hunderten oder sogar Millionen von Nukleotiden bestehen. Jede Nukleinsäure enthält nur vier Arten von Nukleotiden. Die Funktionen von Nukleinsäuremolekülen hängen von ihrer Struktur, den darin enthaltenen Nukleotiden, ihrer Anzahl in der Kette und der Reihenfolge der Verbindung im Molekül ab.

Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Kohlenhydrat und einer Phosphorsäure. IN Verbindung jedes Nukleotid DNA Enthält eine von vier Arten stickstoffhaltiger Basen (Adenin – A, Thymin – T, Guanin – G oder Cytosin – C) sowie Desoxyribose-Kohlenstoff und einen Phosphorsäurerest.

Daher unterscheiden sich DNA-Nukleotide nur in der Art der stickstoffhaltigen Base.
Das DNA-Molekül besteht aus einer großen Anzahl von Nukleotiden, die in einer bestimmten Reihenfolge zu einer Kette verbunden sind. Jeder DNA-Molekültyp hat seine eigene Anzahl und Sequenz von Nukleotiden.

DNA-Moleküle sind sehr lang. Um beispielsweise die Nukleotidsequenz in DNA-Molekülen einer menschlichen Zelle (46 Chromosomen) in Buchstaben aufzuschreiben, wäre ein Buch mit etwa 820.000 Seiten erforderlich. Der Wechsel von vier Arten von Nukleotiden kann eine unendliche Anzahl von Varianten von DNA-Molekülen bilden. Diese Strukturmerkmale von DNA-Molekülen ermöglichen es ihnen, eine große Menge an Informationen über alle Eigenschaften von Organismen zu speichern.

1953 erstellten der amerikanische Biologe J. Watson und der englische Physiker F. Crick ein Modell der Struktur des DNA-Moleküls. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass jedes DNA-Molekül aus zwei miteinander verbundenen und spiralförmig verdrehten Ketten besteht. Es sieht aus wie eine Doppelhelix. In jeder Kette wechseln sich vier Arten von Nukleotiden in einer bestimmten Reihenfolge ab.

Nukleotid DNA-Zusammensetzung variiert je nach Art von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren. Es ändert sich jedoch nicht mit dem Alter und hängt kaum von Umweltveränderungen ab. Nukleotide sind gepaart, das heißt, die Anzahl der Adeninnukleotide in jedem DNA-Molekül entspricht der Anzahl der Thymidinnukleotide (A-T) und die Anzahl der Cytosinnukleotide entspricht der Anzahl der Guaninnukleotide (C-G). Dies liegt daran, dass die Verbindung zweier Ketten in einem DNA-Molekül einer bestimmten Regel unterliegt, nämlich: Adenin einer Kette ist immer nur durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit Thymin der anderen Kette verbunden, und Guanin – durch drei Wasserstoffbrückenbindungen mit Cytosin, das heißt, die Nukleotidketten eines DNA-Moleküls sind komplementär und ergänzen sich.

Nukleinsäuremoleküle – DNA und RNA – bestehen aus Nukleotiden. DNA-Nukleotide umfassen eine stickstoffhaltige Base (A, T, G, C), das Kohlenhydrat Desoxyribose und einen Phosphorsäuremolekülrest. Das DNA-Molekül ist eine Doppelhelix, die aus zwei Ketten besteht, die nach dem Komplementaritätsprinzip durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Die Funktion der DNA besteht darin, Erbinformationen zu speichern.

Eigenschaften und Funktionen der DNA.

DNA ist ein Träger genetischer Informationen, die mithilfe eines genetischen Codes in Form einer Nukleotidsequenz aufgezeichnet werden. DNA-Moleküle sind mit zwei grundlegenden Funktionen verbunden Eigenschaften von Lebewesen Organismen - Vererbung und Variabilität. Bei einem Prozess namens DNA-Replikation werden zwei Kopien des ursprünglichen Strangs gebildet, die bei der Teilung von Tochterzellen vererbt werden, sodass die resultierenden Zellen genetisch mit dem Original identisch sind.

Genetische Informationen werden während der Genexpression in den Prozessen der Transkription (Synthese von RNA-Molekülen auf einer DNA-Matrize) und Translation (Synthese von Proteinen auf einer RNA-Matrize) umgesetzt.

Die Nukleotidsequenz „kodiert“ Informationen über verschiedene Arten von RNA: Messenger oder Template (mRNA), ribosomale (rRNA) und Transport (tRNA). Alle diese Arten von RNA werden während des Transkriptionsprozesses aus DNA synthetisiert. Ihre Rolle bei der Proteinbiosynthese (Translationsprozess) ist unterschiedlich. Messenger-RNA enthält Informationen über die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein, ribosomale RNA dient als Grundlage für Ribosomen (komplexe Nukleoproteinkomplexe, deren Hauptfunktion der Zusammenbau von Proteinen aus einzelnen Aminosäuren auf Basis von mRNA ist), Transfer-RNAs liefern Amino Säuren zum Ort der Proteinassemblierung – zum aktiven Zentrum des Ribosoms, „kriechend“ auf der mRNA.

Genetischer Code, seine Eigenschaften.

Genetischer Code- eine für alle lebenden Organismen charakteristische Methode zur Kodierung der Aminosäuresequenz von Proteinen mithilfe einer Nukleotidsequenz. EIGENSCHAFTEN:

1. Dreifach- Eine sinnvolle Codeeinheit ist eine Kombination aus drei Nukleotiden (Triplett oder Codon).
2. Kontinuität- Es gibt keine Satzzeichen zwischen Triolen, d. h. die Informationen werden kontinuierlich gelesen.
3. Nicht überlappend- Das gleiche Nukleotid kann nicht gleichzeitig Teil von zwei oder mehr Tripletts sein (was bei einigen überlappenden Genen von Viren, Mitochondrien und Bakterien, die für mehrere Frameshift-Proteine ​​kodieren, nicht beobachtet wird).
4. Eindeutigkeit (Spezifität)- Ein spezifisches Codon entspricht nur einer Aminosäure (das UGA-Codon hat jedoch Euplotes crassus kodiert zwei Aminosäuren – Cystein und Selenocystein)
5. Entartung (Redundanz)- Mehrere Codons können derselben Aminosäure entsprechen.
6. Vielseitigkeit- Der genetische Code funktioniert in Organismen unterschiedlicher Komplexität – vom Virus bis zum Menschen – gleich (gentechnische Methoden basieren darauf; es gibt eine Reihe von Ausnahmen, die in der Tabelle im Abschnitt „Variationen des standardmäßigen genetischen Codes“ aufgeführt sind). unten).
7. Geräuschunempfindlichkeit- Mutationen von Nukleotidsubstitutionen, die nicht zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen, werden genannt konservativ; Als Nukleotidsubstitution werden Mutationen bezeichnet, die zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen Radikale.

5. Autoreproduktion von DNA. Replikon und seine Funktionsweise .

Der Prozess der Selbstreproduktion von Nukleinsäuremolekülen, begleitet von der Vererbung (von Zelle zu Zelle) exakter Kopien genetischer Informationen; R. wird unter Beteiligung einer Reihe spezifischer Enzyme (Helikase) durchgeführt<Helikase>Kontrolle des Abwickelns des Moleküls DNA, DNA-Polymerase<DNA-Polymerase> I und III, DNA-ligase<DNA-Ligase>) verläuft semikonservativ mit der Bildung einer Replikationsgabel<Replikationsgabel>; auf einer der Strecken<Leitstrang> Die Synthese der Komplementärkette ist kontinuierlich und andererseits<nacheilender Strang> tritt aufgrund der Bildung von Dkazaki-Fragmenten auf<Okazaki-Fragmente>; R. - ein hochpräzises Verfahren, dessen Fehlerquote 10 -9 nicht überschreitet; bei Eukaryoten R. kann an mehreren Stellen eines Moleküls gleichzeitig auftreten DNA; Geschwindigkeit R. Eukaryoten haben etwa 100 und Bakterien etwa 1000 Nukleotide pro Sekunde.

6. Ebenen der eukaryotischen Genomorganisation .

In eukaryotischen Organismen ist der Mechanismus der Transkriptionsregulation viel komplexer. Durch das Klonen und Sequenzieren eukaryontischer Gene wurden spezifische Sequenzen entdeckt, die an der Transkription und Translation beteiligt sind.
Eine eukaryotische Zelle ist gekennzeichnet durch:
1. Das Vorhandensein von Introns und Exons im DNA-Molekül.
2. Reifung der mRNA – Ausschneiden von Introns und Zusammenfügen von Exons.
3. Das Vorhandensein regulatorischer Elemente, die die Transkription regulieren, wie zum Beispiel: a) Promotoren – 3 Typen, von denen jeder von einer spezifischen Polymerase besetzt ist. Pol I repliziert ribosomale Gene, Pol II repliziert Proteinstrukturgene, Pol III repliziert Gene, die für kleine RNAs kodieren. Der Pol I- und Pol II-Promotor befindet sich vor der Transkriptionsinitiationsstelle, der Pol III-Promotor befindet sich innerhalb des Strukturgens; b) Modulatoren – DNA-Sequenzen, die das Transkriptionsniveau steigern; c) Verstärker – Sequenzen, die das Transkriptionsniveau steigern und unabhängig von ihrer Position relativ zum kodierenden Teil des Gens und dem Zustand des Ausgangspunkts der RNA-Synthese wirken; d) Terminatoren – spezifische Sequenzen, die sowohl die Translation als auch die Transkription stoppen.
Diese Sequenzen unterscheiden sich von prokaryotischen Sequenzen in ihrer Primärstruktur und Position relativ zum Startcodon und werden von der bakteriellen RNA-Polymerase nicht „erkannt“. Damit eukaryotische Gene in prokaryotischen Zellen exprimiert werden können, müssen die Gene unter der Kontrolle prokaryotischer regulatorischer Elemente stehen. Dieser Umstand muss bei der Konstruktion von Expressionsvektoren berücksichtigt werden.

7. Chemische und strukturelle Zusammensetzung der Chromosomen .

Chemisch Chromosomenzusammensetzung - DNA – 40 %, Histonproteine ​​– 40 %. Nicht-Histon – 20 % etwas RNA. Lipide, Polysaccharide, Metallionen.

Die chemische Zusammensetzung eines Chromosoms ist ein Komplex aus Nukleinsäuren mit Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden und Metallen. Das Chromosom reguliert die Genaktivität und stellt sie im Falle einer chemischen oder strahlenbedingten Schädigung wieder her.

STRUKTURELL????

Chromosomen- Nukleoprotein-Strukturelemente des Zellkerns, die DNA enthalten, die die Erbinformationen des Organismus enthält, zur Selbstreproduktion fähig sind, strukturelle und funktionelle Individualität aufweisen und diese über mehrere Generationen hinweg behalten.

Im Mitosezyklus werden folgende Merkmale der strukturellen Organisation der Chromosomen beobachtet:

Es gibt mitotische und interphasische Formen der strukturellen Organisation von Chromosomen, die sich im Mitosezyklus gegenseitig ineinander umwandeln – das sind funktionelle und physiologische Transformationen

8. Verpackungsgrade von Erbmaterial in Eukaryoten .

Strukturelle und funktionelle Ebenen der Organisation des Erbmaterials von Eukaryoten

Vererbung und Variabilität sorgen für:

1) individuelle (diskrete) Vererbung und Veränderung individueller Merkmale;

2) Reproduktion des gesamten Komplexes morphofunktioneller Merkmale von Organismen einer bestimmten biologischen Art bei Individuen jeder Generation;

3) Umverteilung bei Arten mit sexueller Fortpflanzung im Prozess der Reproduktion erblicher Neigungen, wodurch der Nachkomme eine Kombination von Merkmalen aufweist, die sich von ihrer Kombination bei den Eltern unterscheidet. Die Muster der Vererbung und Variabilität von Merkmalen und ihrer Mengen ergeben sich aus den Prinzipien der strukturellen und funktionellen Organisation des genetischen Materials.

Es gibt drei Organisationsebenen des Erbmaterials eukaryotischer Organismen: Gen, Chromosome und Genom (Genotypebene).

Die elementare Struktur der Genebene ist das Gen. Für die Entwicklung bestimmter Merkmale ist die Übertragung von Genen von den Eltern auf die Nachkommen notwendig. Obwohl mehrere Formen der biologischen Variabilität bekannt sind, verändert nur eine Verletzung der Genstruktur die Bedeutung der Erbinformation, nach der sich bestimmte Merkmale und Eigenschaften bilden. Dank des Vorhandenseins der Genebene sind individuelle, getrennte (diskrete) und unabhängige Vererbungen und Veränderungen einzelner Merkmale möglich.

Gene in eukaryontischen Zellen sind in Gruppen entlang der Chromosomen verteilt. Hierbei handelt es sich um Strukturen des Zellkerns, die sich durch Individualität und die Fähigkeit zur Selbstreproduktion unter Beibehaltung individueller Strukturmerkmale über Generationen hinweg auszeichnen. Das Vorhandensein von Chromosomen bestimmt die Identifizierung des chromosomalen Organisationsgrads des Erbmaterials. Die Platzierung von Genen auf Chromosomen beeinflusst die relative Vererbung von Merkmalen und ermöglicht es, dass die Funktion eines Gens durch seine unmittelbare genetische Umgebung – benachbarte Gene – beeinflusst wird. Die chromosomale Organisation des Erbmaterials dient als notwendige Voraussetzung für die Umverteilung der erblichen Neigungen der Eltern auf die Nachkommen während der sexuellen Fortpflanzung.

Trotz der Verteilung auf verschiedene Chromosomen verhält sich der gesamte Gensatz funktionell als Ganzes und bildet ein einziges System, das die genomische (genotypische) Organisationsebene des Erbmaterials darstellt. Auf dieser Ebene kommt es zu einer umfassenden Wechselwirkung und gegenseitigen Beeinflussung erblicher Neigungen, die sowohl in einem als auch in verschiedenen Chromosomen lokalisiert sind. Das Ergebnis ist die gegenseitige Übereinstimmung genetischer Informationen unterschiedlicher Erbanlagen und damit die zeitlich, örtlich und intensiv ausgeglichene Entwicklung von Merkmalen im Verlauf der Ontogenese. Die funktionelle Aktivität von Genen, die Art der Replikation und Mutationsveränderungen im Erbgut hängen auch von den Eigenschaften des Genotyps des Organismus oder der Zelle als Ganzes ab. Dies wird beispielsweise durch die Relativität der Dominanzeigenschaft belegt.

Eu - und Heterochromatin.

Einige Chromosomen erscheinen während der Zellteilung verdichtet und intensiv gefärbt. Solche Unterschiede wurden Heteropyknose genannt. Der Begriff " Heterochromatin" Es gibt Euchromatin – den Hauptteil der mitotischen Chromosomen, der während der Mitose den üblichen Zyklus der Verdichtung und Dekompaktierung durchläuft, und Heterochromatin- Chromosomenbereiche, die sich ständig in einem kompakten Zustand befinden.

Bei den meisten Eukaryotenarten enthalten die Chromosomen beides äh- und heterochromatische Regionen, wobei letztere einen erheblichen Teil des Genoms ausmachen. Heterochromatin liegt in perizentromeren, manchmal auch in peritelomeren Regionen. Heterochromatische Regionen wurden in den euchromatischen Armen der Chromosomen entdeckt. Sie sehen aus wie Einschlüsse (Interkalationen) von Heterochromatin in Euchromatin. Solch Heterochromatin Interkalar genannt. Chromatinverdichtung. Euchromatin und Heterochromatin unterscheiden sich in den Verdichtungszyklen. Euhr. durchläuft einen vollständigen Zyklus der Verdichtung-Entkompaktierung von Interphase zu Interphase, Hetero. behält einen Zustand relativer Kompaktheit bei. Differenzielle Färbbarkeit. Verschiedene Bereiche des Heterochromatins werden mit unterschiedlichen Farbstoffen gefärbt, einige Bereiche mit einem, andere mit mehreren. Durch die Verwendung verschiedener Farbstoffe und die Verwendung von Chromosomenumlagerungen, die heterochromatische Regionen aufbrechen, war es möglich, viele kleine Regionen in Drosophila zu charakterisieren, in denen sich die Affinität für Flecken von benachbarten Regionen unterscheidet.

10. Morphologische Merkmale des Metaphase-Chromosoms .

Das Metaphase-Chromosom besteht aus zwei Längssträngen des Desoxyribonukleoproteins – Chromatiden, die im Bereich der primären Verengung – dem Zentromer – miteinander verbunden sind. Ein Zentromer ist eine speziell organisierte Region eines Chromosoms, die beiden Schwesterchromatiden gemeinsam ist. Das Zentromer teilt den Chromosomenkörper in zwei Arme. Abhängig vom Ort der primären Verengung werden folgende Chromosomentypen unterschieden: gleicharmig (metazentrisch), wenn das Zentromer in der Mitte liegt und die Arme etwa gleich lang sind; ungleiche Arme (submetazentrisch), wenn das Zentromer aus der Mitte des Chromosoms verschoben ist und die Arme ungleich lang sind; stäbchenförmig (akrozentrisch), wenn das Zentromer an ein Ende des Chromosoms verschoben ist und ein Arm sehr kurz ist. Es gibt auch Punktchromosomen (telozentrische Chromosomen); ihnen fehlt ein Arm, sie sind jedoch im menschlichen Karyotyp (Chromosomensatz) nicht vorhanden. Einige Chromosomen können sekundäre Verengungen aufweisen, die eine Region, die als Satellit bezeichnet wird, vom Chromosomenkörper trennen.

GENETISCHER CODE, ein System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Form einer Sequenz von Nukleotidbasen in DNA-Molekülen (bei einigen Viren - RNA), das die Primärstruktur (Lage der Aminosäurereste) in Proteinmolekülen (Polypeptidmolekülen) bestimmt. Das Problem des genetischen Codes wurde nach dem Nachweis der genetischen Rolle der DNA (amerikanische Mikrobiologen O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) und der Entschlüsselung ihrer Struktur (J. Watson, F. Crick, 1953) formuliert dass Gene die Struktur und Funktionen von Enzymen bestimmen (das Prinzip „ein Gen – ein Enzym“ von J. Beadle und E. Tatem, 1941) und dass eine Abhängigkeit der räumlichen Struktur und Aktivität eines Proteins von seiner Primärstruktur besteht (F. Sanger, 1955). Die Frage, wie Kombinationen von 4 Nukleinsäurebasen den Wechsel von 20 gemeinsamen Aminosäureresten in Polypeptiden bestimmen, wurde erstmals 1954 von G. Gamow gestellt.

Basierend auf einem Experiment, in dem sie die Wechselwirkungen von Insertionen und Deletionen eines Nukleotidpaars in einem der Gene des T4-Bakteriophagen untersuchten, bestimmten F. Crick und andere Wissenschaftler 1961 die allgemeinen Eigenschaften des genetischen Codes: Triplettität, d. h. Jeder Aminosäurerest in der Polypeptidkette entspricht einem Satz von drei Basen (Triplett oder Codon) in der DNA eines Gens. Codons innerhalb eines Gens werden von einem festen Punkt aus in einer Richtung und „ohne Kommas“ gelesen, d. h. die Codons sind nicht durch irgendwelche Zeichen voneinander getrennt; Degeneration oder Redundanz – derselbe Aminosäurerest kann von mehreren Codons (synonymen Codons) kodiert werden. Die Autoren gingen davon aus, dass sich die Codons nicht überlappen (jede Base gehört nur zu einem Codon). Die direkte Untersuchung der Kodierungskapazität von Tripletts wurde mit einem zellfreien Proteinsynthesesystem unter der Kontrolle synthetischer Boten-RNA (mRNA) fortgesetzt. Bis 1965 wurde der genetische Code in den Werken von S. Ochoa, M. Nirenberg und H. G. Korana vollständig entschlüsselt. Die Entschlüsselung der Geheimnisse des genetischen Codes gehörte zu den herausragenden Errungenschaften der Biologie des 20. Jahrhunderts.

Die Implementierung des genetischen Codes in einer Zelle erfolgt während zweier Matrixprozesse – Transkription und Translation. Der Vermittler zwischen dem Gen und dem Protein ist mRNA, die bei der Transkription auf einem der DNA-Stränge entsteht. Dabei wird die DNA-Basensequenz, die Informationen über die Primärstruktur des Proteins trägt, in Form einer mRNA-Basensequenz „umgeschrieben“. Bei der Translation auf Ribosomen wird dann die Nukleotidsequenz der mRNA von Transfer-RNAs (tRNAs) abgelesen. Letztere haben ein Akzeptorende, an das ein Aminosäurerest gebunden ist, und ein Adapterende, ein Anticodon-Triplett, das das entsprechende mRNA-Codon erkennt. Die Wechselwirkung eines Codons und eines Anti-Codons erfolgt auf der Grundlage komplementärer Basenpaarung: Adenin (A) – Uracil (U), Guanin (G) – Cytosin (C); Dabei wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des synthetisierten Proteins übersetzt. Verschiedene Organismen verwenden unterschiedliche synonyme Codons mit unterschiedlichen Frequenzen für dieselbe Aminosäure. Das Lesen der mRNA, die die Polypeptidkette kodiert, beginnt (initiiert) mit dem AUG-Codon, das der Aminosäure Methionin entspricht. Seltener sind die Initiationscodons bei Prokaryoten GUG (Valin), UUG (Leucin), AUU (Isoleucin) und bei Eukaryoten UUG (Leucin), AUA (Isoleucin), ACG (Threonin), CUG (Leucin). Dies legt den sogenannten Rahmen oder die Phase des Lesens während der Translation fest, d. h., dann wird die gesamte Nukleotidsequenz der mRNA Triplett für Triplett der tRNA gelesen, bis eines der drei Terminatorcodons, oft Stopcodons genannt, auftrifft die mRNA: UAA, UAG, UGA (Tabelle). Das Ablesen dieser Tripletts führt zum Abschluss der Synthese der Polypeptidkette.

AUG- und Stopp-Codons erscheinen jeweils am Anfang und am Ende der Regionen der mRNA, die für Polypeptide kodieren.

Der genetische Code ist quasi-universal. Dies bedeutet, dass es zwischen Objekten geringfügige Unterschiede in der Bedeutung einiger Codons gibt. Dies gilt in erster Linie für Terminatorcodons, die von Bedeutung sein können. Beispielsweise kodiert UGA in den Mitochondrien einiger Eukaryoten und Mykoplasmen für Tryptophan. Darüber hinaus kodiert UGA in einigen mRNAs von Bakterien und Eukaryoten für eine ungewöhnliche Aminosäure – Selenocystein, und UAG in einem der Archaebakterien – Pyrrolysin.

Es gibt eine Sichtweise, nach der der genetische Code durch Zufall entstanden ist (Hypothese des „eingefrorenen Zufalls“). Es ist wahrscheinlicher, dass es sich weiterentwickelt hat. Diese Annahme wird durch die Existenz einer einfacheren und offenbar älteren Version des Codes gestützt, der in Mitochondrien nach der „Zwei-von-Drei“-Regel gelesen wird, wenn die Aminosäure nur durch zwei der drei Basen bestimmt wird im Triplett.

Lit.: Crick F. N. a. Ö. Allgemeine Natur des genetischen Codes für Proteine ​​// Natur. 1961. Bd. 192; Der genetische Code. N.Y., 1966; Ichas M. Biologischer Code. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Wie der genetische Code gelesen wird: Regeln und Ausnahmen // Moderne Naturwissenschaft. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. Genetischer Code als System // Soros-Bildungsjournal. 2000. T. 6. Nr. 3.

S. G. Inge-Vechtomov.

Unter dem genetischen Code wird üblicherweise ein Zeichensystem verstanden, das die sequentielle Anordnung von Nukleotidverbindungen in DNA und RNA angibt, was einem anderen Zeichensystem entspricht, das die Reihenfolge von Aminosäureverbindungen in einem Proteinmolekül anzeigt.

Es ist wichtig!

Als es Wissenschaftlern gelang, die Eigenschaften des genetischen Codes zu untersuchen, wurde die Universalität als eine der wichtigsten erkannt. Ja, so seltsam es auch klingen mag, alles ist durch einen universellen, gemeinsamen genetischen Code vereint. Es entstand über einen langen Zeitraum und der Prozess endete vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. Folglich können Spuren seiner Entwicklung in der Struktur des Codes von seinen Anfängen bis heute verfolgt werden.

Wenn wir über die Reihenfolge der Anordnung von Elementen im genetischen Code sprechen, meinen wir, dass diese alles andere als chaotisch ist, sondern eine streng definierte Reihenfolge aufweist. Und dieser bestimmt maßgeblich auch die Eigenschaften des genetischen Codes. Dies entspricht der Anordnung von Buchstaben und Silben in Wörtern. Sobald wir die übliche Ordnung durchbrechen, wird das meiste, was wir auf den Seiten von Büchern oder Zeitungen lesen, zu lächerlichem Kauderwelsch.

Grundlegende Eigenschaften des genetischen Codes

Normalerweise enthält der Code einige auf besondere Weise verschlüsselte Informationen. Um den Code zu entschlüsseln, müssen Sie die Besonderheiten kennen.

Die Haupteigenschaften des genetischen Codes sind also:

• Dreiheit;
• Degeneration oder Redundanz;
• Eindeutigkeit;
• Kontinuität;
• die oben bereits erwähnte Vielseitigkeit.

Schauen wir uns jede Immobilie genauer an.

1. Dreifachheit

Dabei bilden drei Nukleotidverbindungen eine aufeinanderfolgende Kette innerhalb eines Moleküls (d. h. DNA oder RNA). Dadurch entsteht eine Triplettverbindung bzw. kodiert eine der Aminosäuren, deren Position in der Peptidkette.

Codons (sie sind auch Codewörter!) unterscheiden sich durch die Reihenfolge ihrer Verbindungen und durch die Art der stickstoffhaltigen Verbindungen (Nukleotide), aus denen sie bestehen.

In der Genetik ist es üblich, 64 Codon-Typen zu unterscheiden. Sie können Kombinationen aus vier Arten von Nukleotiden bilden, jeweils drei. Dies entspricht der Potenzierung der Zahl 4 in die dritte Potenz. Somit ist die Bildung von 64 Nukleotidkombinationen möglich.

2. Redundanz des genetischen Codes

Diese Eigenschaft wird beobachtet, wenn mehrere Codons erforderlich sind, um eine Aminosäure zu verschlüsseln, normalerweise im Bereich von 2–6. Und nur Tryptophan kann mit einem Triplett kodiert werden.

3. Eindeutigkeit

Es ist in den Eigenschaften des genetischen Codes als Indikator für eine gesunde genetische Vererbung enthalten. Beispielsweise kann das GAA-Triplett, das in der Kette an sechster Stelle steht, Ärzten Auskunft über den guten Zustand des Blutes und über normales Hämoglobin geben. Er ist es, der Informationen über Hämoglobin trägt und es auch kodiert. Und wenn eine Person an Anämie leidet, wird eines der Nukleotide durch einen anderen Buchstaben des Codes ersetzt – U, was ein Signal der Krankheit ist.

4. Kontinuität

Bei der Erfassung dieser Eigenschaft des genetischen Codes ist zu beachten, dass Codons wie Glieder einer Kette nicht in einiger Entfernung, sondern in unmittelbarer Nähe nacheinander in der Nukleinsäurekette liegen und diese Kette nicht unterbrochen ist – es hat keinen Anfang und kein Ende.

5. Vielseitigkeit

Wir sollten nie vergessen, dass alles auf der Erde durch einen gemeinsamen genetischen Code verbunden ist. Und deshalb werden bei Primaten und Menschen, bei Insekten und Vögeln, in einem hundert Jahre alten Affenbrotbaum und einem kaum aus dem Boden gewachsenen Grashalm ähnliche Drillinge durch ähnliche Aminosäuren kodiert.

In den Genen sind die grundlegenden Informationen über die Eigenschaften eines bestimmten Organismus enthalten, eine Art Programm, das der Organismus von früheren Lebewesen erbt und das als genetischer Code existiert.

Genklassifizierung

1) Aufgrund der Art der Interaktion in einem Allelpaar:

Dominant (ein Gen, das die Manifestation eines dazu allelischen rezessiven Gens unterdrücken kann); - rezessiv (ein Gen, dessen Expression durch sein alleldominantes Gen unterdrückt wird).

2)Funktionelle Klassifizierung:

2) Genetischer Code- Dies sind bestimmte Kombinationen von Nukleotiden und die Reihenfolge ihrer Position im DNA-Molekül. Hierbei handelt es sich um eine für alle lebenden Organismen charakteristische Methode zur Kodierung der Aminosäuresequenz von Proteinen mithilfe einer Nukleotidsequenz.

DNA verwendet vier Nukleotide – Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T), die in der russischen Literatur mit den Buchstaben A, G, T und C bezeichnet werden. Diese Buchstaben bilden das Alphabet der genetischer Code. RNA verwendet die gleichen Nukleotide, mit Ausnahme von Thymin, das durch ein ähnliches Nukleotid ersetzt wird – Uracil, das mit dem Buchstaben U (U in der russischen Literatur) bezeichnet wird. In DNA- und RNA-Molekülen sind Nukleotide in Ketten angeordnet und so entstehen Sequenzen genetischer Buchstaben.

Genetischer Code

Zum Aufbau von Proteinen werden in der Natur 20 verschiedene Aminosäuren verwendet. Jedes Protein ist eine Kette oder mehrere Ketten von Aminosäuren in einer genau definierten Reihenfolge. Diese Sequenz bestimmt die Struktur des Proteins und damit alle seine biologischen Eigenschaften. Auch der Satz an Aminosäuren ist für fast alle lebenden Organismen universell.

Die Umsetzung genetischer Informationen in lebende Zellen (also die Synthese eines von einem Gen kodierten Proteins) erfolgt über zwei Matrixprozesse: Transkription (also die Synthese von mRNA auf einer DNA-Matrix) und Übersetzung des genetischen Codes in eine Aminosäuresequenz (Synthese einer Polypeptidkette auf einer mRNA-Matrix). Drei aufeinanderfolgende Nukleotide reichen aus, um 20 Aminosäuren zu kodieren, außerdem gibt das Stoppsignal das Ende der Proteinsequenz an. Ein Satz von drei Nukleotiden wird als Triplett bezeichnet. Akzeptierte Abkürzungen für Aminosäuren und Codons sind in der Abbildung dargestellt.

Eigenschaften des genetischen Codes

1. Dreifach- Eine sinnvolle Codeeinheit ist eine Kombination aus drei Nukleotiden (ein Triplett oder Codon).

2. Kontinuität- Es gibt keine Satzzeichen zwischen Triolen, d. h. die Informationen werden kontinuierlich gelesen.

3. Diskretion- Das gleiche Nukleotid kann nicht gleichzeitig Teil von zwei oder mehr Tripletts sein.

4. Spezifität- Ein bestimmtes Codon entspricht nur einer Aminosäure.

5. Entartung (Redundanz)- Mehrere Codons können derselben Aminosäure entsprechen.

6. Vielseitigkeit - genetischer Code funktioniert in Organismen unterschiedlicher Komplexität gleich – vom Virus bis zum Menschen. (Gentechnische Methoden basieren darauf)

3) Transkription - der Prozess der RNA-Synthese unter Verwendung von DNA als Vorlage, der in allen lebenden Zellen stattfindet. Mit anderen Worten handelt es sich um die Übertragung genetischer Informationen von der DNA auf die RNA.

Die Transkription wird durch das Enzym DNA-abhängige RNA-Polymerase katalysiert. Der Prozess der RNA-Synthese verläuft in Richtung vom 5"- zum 3"-Ende, d. h. entlang des DNA-Matrizenstrangs bewegt sich die RNA-Polymerase in der Richtung 3"->5"

Die Transkription besteht aus den Phasen Initiation, Elongation und Termination.

Beginn der Transkription- ein komplexer Prozess, der von der DNA-Sequenz in der Nähe der transkribierten Sequenz (und bei Eukaryoten auch von weiter entfernten Teilen des Genoms – Verstärker und Schalldämpfer) und vom Vorhandensein oder Fehlen verschiedener Proteinfaktoren abhängt.

Verlängerung- Das weitere Abwickeln der DNA und die Synthese der RNA entlang der Kodierungskette werden fortgesetzt. sie erfolgt, wie die DNA-Synthese, in der 5-3-Richtung

Beendigung- Sobald die Polymerase den Terminator erreicht, spaltet sie sich sofort von der DNA ab, der lokale DNA-RNA-Hybrid wird zerstört und die neu synthetisierte RNA wird vom Zellkern zum Zytoplasma transportiert und die Transkription ist abgeschlossen.

wird bearbeitet- eine Reihe von Reaktionen, die zur Umwandlung primärer Transkriptions- und Translationsprodukte in funktionierende Moleküle führen. Funktionell inaktive Vorläufermoleküle werden P ausgesetzt. Ribonukleinsäuren (tRNA, rRNA, mRNA) und viele andere. Proteine.

Bei der Synthese katabolischer Enzyme (Substratabbau) kommt es in Prokaryoten zu einer induzierbaren Synthese von Enzymen. Dies gibt der Zelle die Möglichkeit, sich an die Umweltbedingungen anzupassen und Energie zu sparen, indem sie die Synthese des entsprechenden Enzyms stoppt, wenn der Bedarf dafür wegfällt.
Um die Synthese katabolischer Enzyme anzuregen, sind folgende Bedingungen erforderlich:

1. Das Enzym wird nur dann synthetisiert, wenn der Abbau des entsprechenden Substrats für die Zelle notwendig ist.
2. Die Konzentration des Substrats im Medium muss einen bestimmten Wert überschreiten, bevor das entsprechende Enzym gebildet werden kann.
Der Mechanismus der Regulation der Genexpression in Escherichia coli lässt sich am besten am Beispiel des Lac-Operons untersuchen, das die Synthese von drei katabolen Enzymen steuert, die Laktose abbauen. Befindet sich in der Zelle viel Glucose und wenig Lactose, bleibt der Promotor inaktiv und das Repressorprotein sitzt auf dem Operator – die Transkription des Lac-Operons wird blockiert. Wenn die Glukosemenge in der Umgebung und damit in der Zelle abnimmt und die Laktose zunimmt, treten folgende Ereignisse auf: Die Menge an zyklischem Adenosinmonophosphat nimmt zu, es bindet an das CAP-Protein – dieser Komplex aktiviert den Promotor, an dem die RNA-Polymerase beteiligt ist bindet; Gleichzeitig bindet überschüssige Laktose an das Repressorprotein und setzt den Operator daraus frei – der Weg ist frei für die RNA-Polymerase, die Transkription der Strukturgene des Lac-Operons beginnt. Laktose wirkt als Induktor der Synthese jener Enzyme, die sie abbauen.

5) Regulierung der Genexpression in Eukaryoten ist viel komplizierter. Verschiedene Zelltypen eines mehrzelligen eukaryotischen Organismus synthetisieren eine Reihe identischer Proteine ​​und unterscheiden sich gleichzeitig in einem Satz von Proteinen, die für Zellen eines bestimmten Typs spezifisch sind. Das Produktionsniveau hängt vom Zelltyp sowie vom Entwicklungsstadium des Organismus ab. Die Regulierung der Genexpression erfolgt auf zellulärer und Organismusebene. Die Gene eukaryotischer Zellen werden unterteilt in zwei Haupttypen: Der erste bestimmt die Universalität der Zellfunktionen, der zweite bestimmt (bestimmt) spezialisierte Zellfunktionen. Genfunktionen erste Gruppe erscheinen in allen Zellen. Um differenzierte Funktionen auszuführen, müssen spezialisierte Zellen einen bestimmten Satz von Genen exprimieren.
Chromosomen, Gene und Operons eukaryotischer Zellen weisen eine Reihe struktureller und funktioneller Merkmale auf, was die Komplexität der Genexpression erklärt.
1. Operonen eukaryotischer Zellen verfügen über mehrere Gene – Regulatoren, die sich auf verschiedenen Chromosomen befinden können.
2. Strukturgene, die die Synthese von Enzymen eines biochemischen Prozesses steuern, können in mehreren Operons konzentriert sein, die sich nicht nur in einem DNA-Molekül, sondern auch in mehreren befinden.
3. Komplexe Sequenz eines DNA-Moleküls. Es gibt informative und nicht informative Abschnitte, einzigartige und wiederholt wiederholte informative Nukleotidsequenzen.
4. Eukaryontische Gene bestehen aus Exons und Introns, und die Reifung der mRNA geht mit der Entfernung von Introns aus den entsprechenden primären RNA-Transkripten (pro-RNA) einher, d. h. Spleißen.
5. Der Prozess der Gentranskription hängt vom Zustand des Chromatins ab. Die lokale DNA-Verdichtung blockiert die RNA-Synthese vollständig.
6. Die Transkription in eukaryotischen Zellen ist nicht immer mit der Translation verbunden. Die synthetisierte mRNA kann lange Zeit in Form von Informationosomen gespeichert. Transkription und Übersetzung finden in verschiedenen Kompartimenten statt.
7. Einige eukaryotische Gene haben eine variable Lokalisierung (labile Gene oder Transposons).
8. Molekularbiologische Methoden haben die hemmende Wirkung von Histonproteinen auf die mRNA-Synthese gezeigt.
9. Während der Entwicklung und Differenzierung von Organen hängt die Genaktivität von Hormonen ab, die im Körper zirkulieren und in bestimmten Zellen spezifische Reaktionen hervorrufen. Bei Säugetieren ist die Wirkung von Sexualhormonen wichtig.
10. Bei Eukaryoten werden in jedem Stadium der Ontogenese 5-10 % der Gene exprimiert, der Rest muss blockiert werden.

6) Reparatur von genetischem Material

Genetische Wiedergutmachung- der Prozess der Beseitigung genetischer Schäden und der Wiederherstellung des Erbapparates, der in den Zellen lebender Organismen unter dem Einfluss spezieller Enzyme auftritt. Die Fähigkeit von Zellen, genetische Schäden zu reparieren, wurde erstmals 1949 vom amerikanischen Genetiker A. Kellner entdeckt. Reparatur- eine besondere Funktion von Zellen, die in der Fähigkeit besteht, chemische Schäden und Brüche von DNA-Molekülen zu korrigieren, die während der normalen DNA-Biosynthese in der Zelle oder infolge der Einwirkung physikalischer oder chemischer Einwirkungen beschädigt wurden. Dies geschieht durch spezielle Enzymsysteme der Zelle. Eine Reihe erblicher Erkrankungen (z. B. Xeroderma pigmentosum) gehen mit Störungen des Reparatursystems einher.

Arten von Wiedergutmachungen:

Die direkte Reparatur ist der einfachste Weg, Schäden in der DNA zu beseitigen. Dabei werden in der Regel bestimmte Enzyme eingesetzt, die den entsprechenden Schaden schnell (normalerweise in einem Schritt) beseitigen und so die ursprüngliche Struktur der Nukleotide wiederherstellen können. Dies ist beispielsweise bei der O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase der Fall, die eine Methylgruppe von einer stickstoffhaltigen Base auf einen ihrer eigenen Cysteinreste entfernt.

Zuvor haben wir betont, dass Nukleotide eine wichtige Funktion für die Entstehung des Lebens auf der Erde haben – in Gegenwart einer Polynukleotidkette in einer Lösung erfolgt spontan der Prozess der Bildung einer zweiten (parallelen) Kette auf der Grundlage der komplementären Verbindung verwandter Nukleotide . Die gleiche Anzahl an Nukleotiden in beiden Ketten und deren chemische Affinität sind eine unabdingbare Voraussetzung für die Durchführung dieser Art von Reaktion. Bei der Proteinsynthese, bei der Informationen aus der mRNA in die Proteinstruktur umgesetzt werden, kann jedoch von der Einhaltung des Komplementaritätsprinzips keine Rede sein. Dies liegt daran, dass in mRNA und im synthetisierten Protein nicht nur die Anzahl der Monomere unterschiedlich ist, sondern, was besonders wichtig ist, auch keine strukturelle Ähnlichkeit zwischen ihnen besteht (Nukleotide einerseits, Aminosäuren andererseits). ). Es ist klar, dass in diesem Fall ein Bedarf besteht, ein neues Prinzip für die genaue Übersetzung von Informationen aus einem Polynukleotid in die Struktur eines Polypeptids zu schaffen. In der Evolution entstand ein solches Prinzip und seine Grundlage war der genetische Code.

Der genetische Code ist ein System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Nukleinsäuremolekülen, das auf einer bestimmten Abwechslung von Nukleotidsequenzen in DNA oder RNA basiert und Codons bildet, die Aminosäuren in einem Protein entsprechen.

Der genetische Code hat mehrere Eigenschaften.

Dreiheit.

Entartung oder Redundanz.

Eindeutigkeit.

Polarität.

Nicht überlappend.

Kompaktheit.

Vielseitigkeit.

Es ist zu beachten, dass einige Autoren auch andere Eigenschaften des Codes vorschlagen, die sich auf die chemischen Eigenschaften der im Code enthaltenen Nukleotide oder die Häufigkeit des Vorkommens einzelner Aminosäuren in Körperproteinen usw. beziehen. Diese Eigenschaften ergeben sich jedoch aus den oben aufgeführten, sodass wir sie dort berücksichtigen.

A. Dreiheit. Der genetische Code verfügt, wie viele komplex organisierte Systeme, über die kleinste strukturelle und kleinste funktionelle Einheit. Ein Triplett ist die kleinste Struktureinheit des genetischen Codes. Es besteht aus drei Nukleotiden. Ein Codon ist die kleinste funktionelle Einheit des genetischen Codes. Typischerweise werden Tripletts der mRNA als Codons bezeichnet. Im genetischen Code erfüllt ein Codon mehrere Funktionen. Erstens besteht seine Hauptfunktion darin, dass es eine einzelne Aminosäure kodiert. Zweitens kodiert das Codon möglicherweise nicht für eine Aminosäure, erfüllt aber in diesem Fall eine andere Funktion (siehe unten). Wie aus der Definition hervorgeht, ist ein Triplett ein charakterisierender Begriff elementar Struktureinheit genetischer Code (drei Nukleotide). Codon – charakterisiert elementare semantische Einheit Genom – drei Nukleotide bestimmen die Bindung einer Aminosäure an die Polypeptidkette.

Die elementare Struktureinheit wurde zunächst theoretisch entschlüsselt und anschließend ihre Existenz experimentell bestätigt. Tatsächlich können 20 Aminosäuren nicht mit einem oder zwei Nukleotiden kodiert werden, weil Letztere sind nur 4. Drei von vier Nukleotiden ergeben 4 3 = 64 Varianten, was die Anzahl der in lebenden Organismen verfügbaren Aminosäuren mehr als abdeckt (siehe Tabelle 1).

Die in der Tabelle dargestellten 64 Nukleotidkombinationen weisen zwei Merkmale auf. Erstens sind von den 64 Triplett-Varianten nur 61 Codons und kodieren für jede beliebige Aminosäure, die sie nennen Sense-Codons. Drei Tripletts kodieren nicht

Tabelle 1.

Messenger-RNA-Codons und entsprechende Aminosäuren

Aminosäuren a sind Stoppsignale, die das Ende der Translation anzeigen. Es gibt drei solcher Drillinge - UAA, UAG, UGA, sie werden auch „bedeutungslos“ (Nonsense-Codons) genannt. Durch eine Mutation, die mit dem Austausch eines Nukleotids in einem Triplett durch ein anderes verbunden ist, kann aus einem Sense-Codon ein Nonsense-Codon entstehen. Diese Art von Mutation wird aufgerufen Nonsens-Mutation. Wenn ein solches Stoppsignal innerhalb des Gens (in seinem Informationsteil) gebildet wird, wird der Prozess während der Proteinsynthese an dieser Stelle ständig unterbrochen – nur der erste (vor dem Stoppsignal) Teil des Proteins wird synthetisiert. Eine Person mit dieser Pathologie wird einen Proteinmangel verspüren und die mit diesem Mangel verbundenen Symptome verspüren. Beispielsweise wurde eine solche Mutation in dem Gen identifiziert, das für die Hämoglobin-Betakette kodiert. Es wird eine verkürzte inaktive Hämoglobinkette synthetisiert, die schnell zerstört wird. Dadurch entsteht ein Hämoglobinmolekül ohne Betakette. Es ist klar, dass ein solches Molekül seine Aufgaben wahrscheinlich nicht vollständig erfüllen wird. Es kommt zu einer schweren Krankheit, die sich als hämolytische Anämie entwickelt (Beta-Null-Thalassämie, vom griechischen Wort „Thalas“ – Mittelmeer, wo diese Krankheit erstmals entdeckt wurde).

Der Wirkungsmechanismus von Stop-Codons unterscheidet sich vom Wirkungsmechanismus von Sense-Codons. Dies folgt aus der Tatsache, dass für alle Codons, die Aminosäuren kodieren, entsprechende tRNAs gefunden wurden. Für Nonsense-Codons wurden keine tRNAs gefunden. Folglich ist tRNA nicht am Prozess des Stoppens der Proteinsynthese beteiligt.

CodonAUG (in Bakterien manchmal GUG) kodieren nicht nur die Aminosäuren Methionin und Valin, sondern sind es auchInitiator der Sendung .

B. Entartung oder Redundanz.

61 der 64 Tripletts kodieren 20 Aminosäuren. Dieser dreifache Überschuss der Anzahl der Tripletts gegenüber der Anzahl der Aminosäuren legt nahe, dass bei der Informationsübertragung zwei Kodierungsmöglichkeiten genutzt werden können. Erstens können nicht alle 64 Codons an der Kodierung von 20 Aminosäuren beteiligt sein, sondern nur 20 und zweitens können Aminosäuren von mehreren Codons kodiert werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Natur die letztere Möglichkeit genutzt hat.

Seine Präferenz ist offensichtlich. Wenn von den 64 Varianten-Tripletts nur 20 an der Kodierung von Aminosäuren beteiligt wären, dann würden 44 Tripletts (von 64) nicht-kodierend bleiben, d. h. bedeutungslos (Unsinn-Codons). Zuvor haben wir darauf hingewiesen, wie gefährlich es für das Leben einer Zelle ist, ein kodierendes Triplett durch Mutation in ein Nonsense-Codon umzuwandeln – dies stört die normale Funktion der RNA-Polymerase erheblich und führt letztendlich zur Entstehung von Krankheiten. Derzeit sind drei Codons in unserem Genom Nonsense-Codons. Stellen Sie sich nun vor, was passieren würde, wenn die Anzahl der Nonsense-Codons um etwa das Fünfzehnfache zunehmen würde. Es ist klar, dass in einer solchen Situation der Übergang von normalen Codons zu Nonsense-Codons unermesslich höher sein wird.

Ein Code, bei dem eine Aminosäure durch mehrere Tripletts kodiert wird, wird als degeneriert oder redundant bezeichnet. Fast jede Aminosäure hat mehrere Codons. Somit kann die Aminosäure Leucin durch sechs Tripletts kodiert werden – UUA, UUG, TSUU, TsUC, TsUA, TsUG. Valin wird durch vier Tripletts kodiert, Phenylalanin nur durch zwei Tryptophan und Methionin kodiert durch ein Codon. Die Eigenschaft, die mit der Aufzeichnung derselben Informationen mit unterschiedlichen Symbolen verbunden ist, wird aufgerufen Entartung.

Die Anzahl der für eine Aminosäure bestimmten Codons korreliert gut mit der Häufigkeit des Vorkommens der Aminosäure in Proteinen.

Und das ist höchstwahrscheinlich kein Zufall. Je häufiger eine Aminosäure in einem Protein vorkommt, je häufiger das Codon dieser Aminosäure im Genom vertreten ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit ihrer Schädigung durch mutagene Faktoren. Daher ist klar, dass ein mutiertes Codon eine größere Chance hat, dieselbe Aminosäure zu kodieren, wenn es stark degeneriert ist. Aus dieser Perspektive ist die Degeneration des genetischen Codes ein Mechanismus, der das menschliche Genom vor Schäden schützt.

Es ist zu beachten, dass der Begriff Degeneration in der Molekulargenetik in einem anderen Sinne verwendet wird. Somit fällt der Großteil der Informationen in einem Codon auf die ersten beiden Nukleotide; die Base an der dritten Position des Codons erweist sich als von geringer Bedeutung. Dieses Phänomen wird „Entartung der dritten Base“ genannt. Letzteres Merkmal minimiert die Auswirkungen von Mutationen. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Hauptfunktion der roten Blutkörperchen darin besteht, Sauerstoff von der Lunge zum Gewebe und Kohlendioxid vom Gewebe zur Lunge zu transportieren. Diese Funktion übernimmt das Atmungspigment Hämoglobin, das das gesamte Zytoplasma des Erythrozyten ausfüllt. Es besteht aus einem Proteinteil – Globin, der vom entsprechenden Gen kodiert wird. Das Hämoglobinmolekül enthält neben Protein auch Häm, das Eisen enthält. Mutationen in Globin-Genen führen zum Auftreten verschiedener Hämoglobinvarianten. Am häufigsten sind Mutationen damit verbunden Ersetzen eines Nukleotids durch ein anderes und Auftreten eines neuen Codons im Gen, das möglicherweise eine neue Aminosäure in der Hämoglobin-Polypeptidkette kodiert. In einem Triplett kann durch Mutation jedes Nukleotid ersetzt werden – das erste, zweite oder dritte. Es sind mehrere hundert Mutationen bekannt, die die Integrität der Globin-Gene beeinträchtigen. Nahe 400 davon sind mit dem Austausch einzelner Nukleotide in einem Gen und dem entsprechenden Aminosäureaustausch in einem Polypeptid verbunden. Nur von diesen 100 Ersatz führt zu einer Instabilität des Hämoglobins und verschiedenen Arten von Krankheiten von leicht bis sehr schwer. 300 (ca. 64 %) Substitutionsmutationen beeinträchtigen die Hämoglobinfunktion nicht und führen nicht zu einer Pathologie. Einer der Gründe dafür ist die oben erwähnte „Degeneration der dritten Base“, wenn ein Ersatz des dritten Nukleotids in einem Triplett, das Serin, Leucin, Prolin, Arginin und einige andere Aminosäuren kodiert, zum Auftreten eines synonymen Codons führt codiert die gleiche Aminosäure. Eine solche Mutation wird sich phänotypisch nicht manifestieren. Im Gegensatz dazu führt jeder Austausch des ersten oder zweiten Nukleotids in einem Triplett in 100 % der Fälle zum Auftreten einer neuen Hämoglobinvariante. Aber auch in diesem Fall dürfen keine schwerwiegenden phänotypischen Störungen vorliegen. Der Grund dafür ist der Ersatz einer Aminosäure im Hämoglobin durch eine andere, die in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften der ersten ähnelt. Wenn beispielsweise eine Aminosäure mit hydrophilen Eigenschaften durch eine andere Aminosäure mit denselben Eigenschaften ersetzt wird.

Hämoglobin besteht aus der Eisen-Porphyrin-Gruppe von Häm (Sauerstoff- und Kohlendioxidmoleküle sind daran gebunden) und Protein - Globin. Das erwachsene Hämoglobin (HbA) enthält zwei identische -Ketten und zwei -Ketten. Molekül -Kette enthält 141 Aminosäurereste, -Kette - 146, - Und -Ketten unterscheiden sich in vielen Aminosäureresten. Die Aminosäuresequenz jeder Globinkette wird von einem eigenen Gen kodiert. Genkodierung -die Kette befindet sich im kurzen Arm von Chromosom 16, -Gen – im kurzen Arm von Chromosom 11. Substitution in der Genkodierung -Die Hämoglobinkette des ersten oder zweiten Nukleotids führt fast immer zum Auftreten neuer Aminosäuren im Protein, zu einer Störung der Hämoglobinfunktionen und zu schwerwiegenden Folgen für den Patienten. Wenn beispielsweise „C“ in einem der Tripletts CAU (Histidin) durch „Y“ ersetzt wird, entsteht ein neues Triplett UAU, das eine andere Aminosäure kodiert – Tyrosin. Phänotypisch äußert sich dies in einer schweren Krankheit Ähnlicher Ersatz auf Position 63 -Kette des Histidin-Polypeptids zu Tyrosin führt zu einer Destabilisierung des Hämoglobins. Es entwickelt sich die Krankheit Methämoglobinämie. Mutationsbedingter Ersatz von Glutaminsäure durch Valin an der 6. Stelle -Kette ist die Ursache der schwersten Krankheit – der Sichelzellenanämie. Lassen Sie uns die traurige Liste nicht fortsetzen. Beachten wir nur, dass beim Ersetzen der ersten beiden Nukleotide eine Aminosäure mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie die vorherige entstehen kann. Somit erfolgt der Ersatz des 2. Nukleotids in einem der Tripletts, die für Glutaminsäure (GAA) kodieren -Kette mit „U“ führt zum Auftreten eines neuen Tripletts (GUA), das Valin kodiert, und das Ersetzen des ersten Nukleotids durch „A“ bildet das Triplett AAA, das die Aminosäure Lysin kodiert. Glutaminsäure und Lysin haben ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften – sie sind beide hydrophil. Valin ist eine hydrophobe Aminosäure. Daher verändert der Ersatz von hydrophiler Glutaminsäure durch hydrophobes Valin die Eigenschaften von Hämoglobin erheblich, was letztendlich zur Entwicklung einer Sichelzellenanämie führt, während der Ersatz von hydrophiler Glutaminsäure durch hydrophiles Lysin die Funktion von Hämoglobin in geringerem Maße verändert – Patienten entwickeln eine milde Form von Anämie. Durch den Austausch der dritten Base kann das neue Triplett die gleichen Aminosäuren wie das vorherige kodieren. Wenn beispielsweise im CAC-Triplett Uracil durch Cytosin ersetzt wurde und ein CAC-Triplett erschien, werden beim Menschen praktisch keine phänotypischen Veränderungen festgestellt. Das ist verständlich, denn Beide Tripletts kodieren für die gleiche Aminosäure – Histidin.

Abschließend ist es angebracht zu betonen, dass die Degeneration des genetischen Codes und die Degeneration der dritten Base aus allgemeinbiologischer Sicht Schutzmechanismen sind, die der Evolution in der einzigartigen Struktur von DNA und RNA innewohnen.

V. Eindeutigkeit.

Jedes Triplett (außer Nonsens) kodiert nur eine Aminosäure. In der Richtung Codon – Aminosäure ist der genetische Code also eindeutig, in der Richtung Aminosäure – Codon ist er mehrdeutig (degeneriert).

Eindeutig

Aminosäure-Codon

Degenerieren

Und in diesem Fall ist die Notwendigkeit der Eindeutigkeit des genetischen Codes offensichtlich. Bei einer anderen Möglichkeit würden bei der Translation desselben Codons unterschiedliche Aminosäuren in die Proteinkette eingefügt und dadurch Proteine ​​mit unterschiedlichen Primärstrukturen und unterschiedlichen Funktionen entstehen. Der Zellstoffwechsel würde auf die Funktionsweise „Ein Gen – mehrere Polypeptide“ umstellen. Es ist klar, dass in einer solchen Situation die regulatorische Funktion der Gene völlig verloren gehen würde.

G. Polarität

Das Auslesen von Informationen aus DNA und mRNA erfolgt nur in eine Richtung. Polarität ist wichtig für die Definition von Strukturen höherer Ordnung (sekundär, tertiär usw.). Zuvor haben wir darüber gesprochen, wie Strukturen niedrigerer Ordnung Strukturen höherer Ordnung bestimmen. Tertiärstruktur und Strukturen höherer Ordnung in Proteinen entstehen, sobald die synthetisierte RNA-Kette das DNA-Molekül verlässt oder die Polypeptidkette das Ribosom verlässt. Während das freie Ende einer RNA oder eines Polypeptids eine Tertiärstruktur annimmt, wird das andere Ende der Kette weiterhin an DNA (wenn RNA transkribiert wird) oder einem Ribosom (wenn ein Polypeptid transkribiert wird) synthetisiert.

Daher ist der unidirektionale Prozess des Lesens von Informationen (während der Synthese von RNA und Protein) nicht nur für die Bestimmung der Sequenz von Nukleotiden oder Aminosäuren in der synthetisierten Substanz, sondern auch für die strikte Bestimmung von Sekundär-, Tertiär- usw. wesentlich. Strukturen.

d. Nicht überlappend.

Der Code kann überlappend oder nicht überlappend sein. Bei den meisten Organismen überschneidet sich der Code nicht. In einigen Phagen wird überlappender Code gefunden.

Das Wesen eines nicht überlappenden Codes besteht darin, dass ein Nukleotid eines Codons nicht gleichzeitig ein Nukleotid eines anderen Codons sein kann. Wenn der Code überlappend wäre, könnte die Sequenz aus sieben Nukleotiden (GCUGCUG) nicht wie im Fall eines nicht überlappenden Codes zwei Aminosäuren (Alanin-Alanin) (Abb. 33, A) codieren, sondern drei (falls vorhanden). ein Nukleotid gemeinsam) (Abb. 33, B) oder fünf (wenn zwei Nukleotide gemeinsam sind) (siehe Abb. 33, C). In den letzten beiden Fällen würde eine Mutation eines beliebigen Nukleotids zu einer Verletzung der Reihenfolge von zwei, drei usw. führen. Aminosäuren.

Es wurde jedoch festgestellt, dass eine Mutation eines Nukleotids immer den Einbau einer Aminosäure in ein Polypeptid stört. Dies ist ein wichtiges Argument dafür, dass sich der Code nicht überschneidet.

Lassen Sie uns dies in Abbildung 34 erklären. Fette Linien zeigen Tripletts, die Aminosäuren kodieren, im Fall von nicht überlappendem und überlappendem Code. Experimente haben eindeutig gezeigt, dass sich der genetische Code nicht überschneidet. Ohne auf Details des Experiments einzugehen, stellen wir fest, dass, wenn Sie das dritte Nukleotid in der Nukleotidsequenz ersetzen (siehe Abb. 34)U (mit einem Sternchen markiert) auf etwas anderes:

1. Bei einem nicht überlappenden Code würde das von dieser Sequenz kontrollierte Protein eine Substitution einer (ersten) Aminosäure (mit Sternchen markiert) aufweisen.

2. Bei einem überlappenden Code in Option A würde eine Substitution in zwei (ersten und zweiten) Aminosäuren (mit Sternchen markiert) erfolgen. Bei Option B würde der Austausch drei Aminosäuren betreffen (mit Sternchen markiert).

Zahlreiche Experimente haben jedoch gezeigt, dass bei der Störung eines Nukleotids in der DNA die Störung im Protein immer nur eine Aminosäure betrifft, was typisch für einen nicht überlappenden Code ist.

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

AGB, AGB, UGC, AGB, AGB, AGB, AGB, AGB

*** *** *** *** *** ***

Alanin – Alanin Ala – Cis – Ley Ala – Ley – Ley – Ala – Ley

A B C

Nicht überlappender Code. Überlappender Code

Reis. 34. Ein Diagramm, das das Vorhandensein eines nicht überlappenden Codes im Genom erklärt (Erklärung im Text).

Die Nichtüberlappung des genetischen Codes ist mit einer anderen Eigenschaft verbunden – das Lesen von Informationen beginnt an einem bestimmten Punkt – dem Initiationssignal. Ein solches Initiationssignal in mRNA ist das Codon, das für Methionin AUG kodiert.

Es ist zu beachten, dass ein Mensch immer noch über eine geringe Anzahl von Genen verfügt, die von der allgemeinen Regel abweichen und sich überschneiden.

e. Kompaktheit.

Es gibt keine Interpunktion zwischen Codons. Mit anderen Worten: Tripletts sind beispielsweise nicht durch ein bedeutungsloses Nukleotid voneinander getrennt. Das Fehlen von „Satzzeichen“ im genetischen Code wurde in Experimenten nachgewiesen.

Und. Vielseitigkeit.

Der Code ist für alle auf der Erde lebenden Organismen derselbe. Ein direkter Beweis für die Universalität des genetischen Codes wurde durch den Vergleich von DNA-Sequenzen mit entsprechenden Proteinsequenzen erhalten. Es stellte sich heraus, dass alle bakteriellen und eukaryotischen Genome dieselben Codewerte verwenden. Es gibt Ausnahmen, aber nicht viele.

Die ersten Ausnahmen von der Universalität des genetischen Codes wurden in den Mitochondrien einiger Tierarten gefunden. Dabei handelte es sich um das Terminatorcodon UGA, das genauso lautet wie das Codon UGG, das für die Aminosäure Tryptophan kodiert. Es wurden auch andere seltenere Abweichungen von der Universalität festgestellt.

MZ. Der genetische Code ist ein System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Nukleinsäuremolekülen, basierend auf einem bestimmten Wechsel von Nukleotidsequenzen in DNA oder RNA, die Codons bilden.

entsprechend den Aminosäuren im Protein.Der genetische Code hat mehrere Eigenschaften.