Den genetiske kode aflæses løbende. Genetisk kode: beskrivelse, karakteristika, forskningshistorie

Efter at have arbejdet igennem disse emner, bør du være i stand til at:

Beskriv nedenstående begreber og forklar sammenhængen mellem dem:
- polymer, monomer;
- kulhydrat, monosaccharid, disaccharid, polysaccharid;
- lipid, fedtsyre, glycerol;
- aminosyre, peptidbinding, protein;
- katalysator, enzym, aktivt sted;
- nukleinsyre, nukleotid.
Nævn 5-6 grunde, der gør vand til en så vigtig komponent i levende systemer.
Nævn de fire hovedklasser organiske forbindelser indeholdt i levende organismer; beskriv hver af dems rolle.
Forklar hvorfor enzymkontrollerede reaktioner afhænger af temperatur, pH og tilstedeværelsen af coenzymer.
Forklar ATP's rolle i cellens energiøkonomi.
Nævn udgangsmaterialer, hovedtrin og slutprodukter af lysinducerede reaktioner og carbonfikseringsreaktioner.
Give kort beskrivelse generel skema for cellulær respiration, hvorfra det ville være klart, hvilket sted reaktionerne af glykolyse, G. Krebs cyklus (cyklus) citronsyre) og elektrontransportkæde.
Sammenlign åndedræt og gæring.
Beskriv strukturen af DNA-molekylet og forklar, hvorfor antallet af adeninrester er lig med antallet af thyminrester, og antallet af guaninrester er lig med antallet af cytosinrester.
Skriv kort diagram syntese af RNA til DNA (transkription) i prokaryoter.
Beskriv egenskaber genetisk kode og forklar hvorfor det skal være en trilling.
Baseret på den givne DNA-kæde og kodon-tabel, bestemme den komplementære sekvens af messenger-RNA'et, angiv kodonerne for transfer-RNA'et og den aminosyresekvens, der dannes som følge af translation.
Angiv stadierne af proteinsyntese på ribosomniveau.

Algoritme til at løse problemer.

Type 1. Selvkopiering af DNA.

En af DNA-kæderne har følgende nukleotidsekvens:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Hvilken nukleotidsekvens har den anden kæde af det samme molekyle?

For at skrive nukleotidsekvensen af den anden streng af et DNA-molekyle, når sekvensen af den første streng er kendt, er det nok at erstatte thymin med adenin, adenin med thymin, guanin med cytosin og cytosin med guanin. Efter at have foretaget denne udskiftning får vi sekvensen:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

Type 2. Proteinkodning.

Kæden af aminosyrer i ribonukleaseproteinet har følgende begyndelse: lysin-glutamin-threonin-alanin-alanin-alanin-lysin...
Hvilken nukleotidsekvens begynder genet svarende til dette protein med?

For at gøre dette skal du bruge den genetiske kodetabel. For hver aminosyre finder vi dens kodebetegnelse i form af den tilsvarende tripel af nukleotider og skriver den ned. Ved at arrangere disse tripletter efter hinanden i samme rækkefølge som de tilsvarende aminosyrer får vi formlen for strukturen af et udsnit af messenger-RNA. Som regel er der flere sådanne trillinger, valget træffes i henhold til din beslutning (men kun en af trillingerne tages). Derfor kan der være flere løsninger.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Hvilken sekvens af aminosyrer begynder et protein med, hvis det er kodet af følgende sekvens af nukleotider:
ACCTTCCATGGCCGGT...

Ved hjælp af komplementaritetsprincippet finder vi strukturen af en sektion af messenger-RNA dannet på et givet segment af et DNA-molekyle:
UGGGGGUACGGGGCA...

Derefter vender vi os til tabellen med den genetiske kode, og for hver tripel af nukleotider, startende fra den første, finder og skriver vi den tilsvarende aminosyre:
Cystein-glycin-tyrosin-arginin-prolin-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. " Generel biologi". Moskva, "Oplysning", 2000

Emne 4." Kemisk sammensætning celler." §2-§7 s. 7-21
Emne 5. "Fotosyntese." §16-17 s. 44-48
Emne 6. "Cellulær respiration." §12-13 s. 34-38
Emne 7. "Genetisk information." §14-15 s. 39-44

Den genetiske kode er en speciel kryptering arvelige oplysninger ved hjælp af molekyler Baseret på dette styrer gener passende syntesen af proteiner og enzymer i kroppen og bestemmer derved stofskiftet. Til gengæld er strukturen af individuelle proteiner og deres funktioner bestemt af placeringen og sammensætningen af aminosyrer - de strukturelle enheder af proteinmolekylet.

I midten af forrige århundrede blev gener identificeret, som er separate sektioner (forkortet som DNA). Nukleotidenhederne danner en karakteristisk dobbeltkæde, samlet i form af en helix.

Forskere har fundet en sammenhæng mellem gener og den kemiske struktur af individuelle proteiner, hvis essens er, at den strukturelle rækkefølge af aminosyrer i proteinmolekyler fuldt ud svarer til rækkefølgen af nukleotider i genet. Efter at have etableret denne forbindelse besluttede forskerne at dechifrere den genetiske kode, dvs. etablere love for overensstemmelse mellem de strukturelle rækkefølger af nukleotider i DNA og aminosyrer i proteiner.

Der er kun fire typer nukleotider:

1) A-adenyl;

2) G-guanyl;

3) T-thymidyl;

4) C-cytidyl.

Proteiner indeholder tyve typer af basiske aminosyrer. Der opstod vanskeligheder med at dechifrere den genetiske kode, da der er meget færre nukleotider end aminosyrer. For at løse dette problem blev det foreslået, at aminosyrer kodes af forskellige kombinationer af tre nukleotider (kaldet en kodon eller triplet).

Derudover var det nødvendigt at forklare præcis, hvordan tripletter er placeret langs genet. Således opstod tre hovedgrupper af teorier:

1) trillinger følger hinanden kontinuerligt, dvs. danne en kontinuerlig kode;

2) trillinger er arrangeret med skiftevis "meningsløse" sektioner, dvs. såkaldte "kommaer" og "afsnit" er dannet i koden;

3) trillinger kan overlappe, dvs. slutningen af den første triplet kan danne begyndelsen på den næste.

I øjeblikket bruges teorien om kodekontinuitet hovedsageligt.

Genetisk kode og dens egenskaber

1) Koden er triplet - den består af vilkårlige kombinationer af tre nukleotider, der danner kodoner.

2) Den genetiske kode er overflødig - dens trillinger. En aminosyre kan kodes af flere kodoner, da der ifølge matematiske beregninger er tre gange flere kodoner end aminosyrer. Nogle kodoner udfører specifikke termineringsfunktioner: nogle kan være "stopsignaler", der programmerer slutningen af produktionen af en aminosyrekæde, mens andre kan indikere initiering af kodelæsning.

3) Den genetiske kode er entydig - hver kodon kan kun svare til én aminosyre.

4) Den genetiske kode er collineær, dvs. nukleotidsekvensen og aminosyresekvensen svarer klart til hinanden.

5) Koden er skrevet kontinuerligt og kompakt, der er ingen "meningsløse" nukleotider i den. Den begynder med en specifik triplet, som erstattes af den næste uden pause og slutter med en stopkodon.

6) Den genetiske kode er universel - generne fra enhver organisme koder for information om proteiner på nøjagtig samme måde. Dette afhænger ikke af kompleksitetsniveauet af organiseringen af organismen eller dens systemiske position.

Moderne videnskab tyder på, at den genetiske kode opstår direkte under genereringen af en ny organisme fra knoglestof. Tilfældige ændringer og evolutionære processer gør enhver kodevariant mulig, dvs. aminosyrer kan omarrangeres i en hvilken som helst rækkefølge. Hvorfor overlevede denne særlige type kode under evolutionen, hvorfor er koden universel og har en lignende struktur? Jo mere videnskaben lærer om fænomenet den genetiske kode, jo flere nye mysterier opstår.

I enhver celle og organisme er alle anatomiske, morfologiske og funktionelle egenskaber bestemt af strukturen af de proteiner, der omfatter dem. Arvelig ejendom Kroppen er i stand til at syntetisere visse proteiner. Aminosyrer er placeret i polypeptidkæden, som biologiske egenskaber afhænger af.
Hver celle har sin egen sekvens af nukleotider i polynukleotidkæden af DNA. Dette er den genetiske kode for DNA. Gennem det registreres information om syntesen af visse proteiner. Om hvad den genetiske kode er, om dens egenskaber og genetisk information diskuteres i denne artikel.

Lidt historie

Ideen om, at der kunne være en genetisk kode, blev formuleret af J. Gamow og A. Down i midten af det tyvende århundrede. De beskrev, at nukleotidsekvensen, der er ansvarlig for syntesen af en bestemt aminosyre, indeholder mindst tre enheder. Senere beviste de det nøjagtige antal af tre nukleotider (dette er en enhed af genetisk kode), som blev kaldt en triplet eller kodon. Der er fireogtres nukleotider i alt, fordi syremolekylet, hvor RNA forekommer, består af fire forskellige nukleotidrester.

Hvad er genetisk kode

Metoden til at kode sekvensen af aminosyreproteiner på grund af sekvensen af nukleotider er karakteristisk for alle levende celler og organismer. Dette er, hvad den genetiske kode er.
Der er fire nukleotider i DNA:

adenin - A;
guanin - G;
cytosin - C;
thymin - T.

De er angivet med store latinske bogstaver eller (i russisksproget litteratur) russiske bogstaver.
RNA indeholder også fire nukleotider, men et af dem er forskelligt fra DNA:

adenin - A;
guanin - G;
cytosin - C;
uracil - U.

Alle nukleotider er arrangeret i kæder, hvor DNA har en dobbelt helix og RNA har en enkelt helix.
Proteiner er bygget på tyve aminosyrer, hvor de, placeret i en bestemt rækkefølge, bestemmer dets biologiske egenskaber.

Egenskaber af den genetiske kode

Trefoldighed. En enhed af genetisk kode består af tre bogstaver, det er triplet. Det betyder, at de tyve aminosyrer, der findes, kodes af tre specifikke nukleotider kaldet kodoner eller trilpetter. Der er fireogtres kombinationer, der kan skabes ud fra fire nukleotider. Denne mængde er mere end nok til at kode for tyve aminosyrer.
Degeneration. Hver aminosyre svarer til mere end én kodon, med undtagelse af methionin og tryptofan.
Entydighed. Ét kodon koder for én aminosyre. For eksempel i genet sund person med information om beta-målet for hæmoglobin, tripletten af GAG og GAA koder for A hos alle med seglcellesygdom, ændres ét nukleotid.
Kolinearitet. Rækkefølgen af aminosyrer svarer altid til sekvensen af nukleotider, som genet indeholder.
Den genetiske kode er kontinuerlig og kompakt, hvilket betyder, at den ikke har nogen tegnsætningstegn. Det vil sige, at der starter ved en bestemt kodon, at der sker kontinuerlig aflæsning. For eksempel vil AUGGGUGTSUUAAUGUG blive læst som: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Men ikke AUG, UGG og så videre eller noget andet.
Alsidighed. Det er det samme for absolut alle landlevende organismer, fra mennesker til fisk, svampe og bakterier.

Tabel

Ikke alle tilgængelige aminosyrer er inkluderet i den præsenterede tabel. Hydroxyprolin, hydroxylysin, phosphoserin, jodderivater af tyrosin, cystin og nogle andre er fraværende, da de er derivater af andre aminosyrer kodet af m-RNA og dannet efter modifikation af proteiner som følge af translation.
Fra egenskaberne af den genetiske kode er det kendt, at en kodon er i stand til at kode for en aminosyre. Undtagelsen er udøveren yderligere funktioner og koder for valin og methionin, den genetiske kode. mRNA'et, der er i begyndelsen af kodonet, vedhæfter t-RNA, som bærer formylmethion. Efter afslutning af syntesen spaltes den fra og tager formylresten med sig og omdannes til en methioninrest. De ovennævnte kodoner er således initiatorerne for syntesen af polypeptidkæden. Hvis de ikke er i begyndelsen, så er de ikke anderledes end de andre.

Genetisk information

Dette koncept betyder et program af egenskaber, der er videregivet fra forfædre. Det er indlejret i arv som en genetisk kode.
Den genetiske kode realiseres under proteinsyntese:

messenger-RNA;
ribosomalt rRNA.

Information transmitteres gennem direkte kommunikation (DNA-RNA-protein) og omvendt kommunikation (medium-protein-DNA).
Organismer kan modtage, gemme, sende det og bruge det mest effektivt.
Videregivet ved arv bestemmer information udviklingen af en bestemt organisme. Men på grund af interaktion med miljø sidstnævntes reaktion er forvrænget, på grund af hvilken evolution og udvikling sker. På den måde indføres ny information i kroppen.

Beregningsmønstre molekylær biologi og opdagelsen af den genetiske kode illustrerede behovet for at kombinere genetik med Darwins teori, på grundlag af hvilken en syntetisk evolutionsteori opstod - ikke-klassisk biologi.
Darwins arvelighed, variation og naturlige selektion suppleres af genetisk bestemt selektion. Evolution realiseres på det genetiske niveau gennem tilfældige mutationer og nedarvning af de mest værdifulde egenskaber, der er mest tilpasset miljøet.

Afkodning af den menneskelige kode

I halvfemserne blev Human Genome Project lanceret, hvilket resulterede i, at man i 2000'erne opdagede genomfragmenter indeholdende 99,99% af menneskelige gener. Fragmenter, der ikke er involveret i proteinsyntese og ikke er kodet, forbliver ukendte. Deres rolle er endnu ukendt.

Sidst opdaget i 2006 er kromosom 1 det længste i genomet. Mere end tre hundrede og halvtreds sygdomme, herunder kræft, opstår som følge af lidelser og mutationer i det.

Rollen af sådanne undersøgelser kan ikke overvurderes. Da de opdagede, hvad den genetiske kode er, blev det kendt efter, hvilke mønstre udviklingen sker, hvordan den morfologiske struktur, psyke, disposition for visse sygdomme, stofskifte og defekter hos individer dannes.

GENETISK KODE, en måde at registrere arvelig information i molekyler nukleinsyrer i form af en sekvens af nukleotider, der danner disse syrer. En bestemt sekvens af nukleotider i DNA og RNA svarer til en bestemt sekvens af aminosyrer i proteinernes polypeptidkæder. Det er sædvanligt at skrive koden med store bogstaver i det russiske eller latinske alfabet. Hvert nukleotid er betegnet med bogstavet, som navnet på den nitrogenholdige base, der er inkluderet i dets molekyle, begynder: A (A) - adenin, G (G) - guanin, C (C) - cytosin, T (T) - thymin; i RNA, i stedet for thymin, er uracil U (U). Hver er kodet af en kombination af tre nukleotider - en triplet eller kodon. Kort fortalt er vejen til overførsel af genetisk information opsummeret i den såkaldte. Molekylærbiologiens centrale dogme: DNA 'RNA f-protein.

I særlige tilfælde information kan overføres fra RNA til DNA, men aldrig fra proteiner til gener.

Implementeringen af genetisk information udføres i to faser. I cellekernen, informations- eller matrixen syntetiseres RNA (transkription) på DNA. I dette tilfælde bliver DNA-nukleotidsekvensen "omskrevet" (omkodet) til mRNA-nukleotidsekvensen. Derefter passerer mRNA'et ind i cytoplasmaet, binder sig til ribosomet, og på det, som på en matrix, syntetiseres proteinets polypeptidkæde (translation). Aminosyrer er knyttet til kæden under opbygning ved hjælp af transfer RNA i en sekvens bestemt af rækkefølgen af nukleotider i mRNA.

Fra fire "bogstaver" kan du lave 64 forskellige tre-bogstavs "ord" (kodoner). Af de 64 kodoner koder 61 for specifikke aminosyrer, og tre er ansvarlige for at færdiggøre syntesen af polypeptidkæden. Da der er 61 kodoner pr. 20 aminosyrer, der udgør proteiner, er nogle aminosyrer kodet af mere end én kodon (såkaldt kodedegeneration). Denne redundans øger kodens pålidelighed og hele mekanismen for proteinbiosyntese. En anden egenskab ved koden er dens specificitet (utvetydighed): ét kodon koder kun for én aminosyre.

Derudover overlapper koden ikke - information læses i én retning sekventielt, triplet for triplet. Mest fantastisk ejendom kode - dens universalitet: den er den samme i alle levende væsener - fra bakterier til mennesker (med undtagelse af den genetiske kode for mitokondrier). Forskere ser dette som en bekræftelse af konceptet om, at alle organismer stammer fra én fælles forfader.

Dechifrering af den genetiske kode, det vil sige at bestemme "betydningen" af hvert kodon og reglerne for aflæsning af information, blev udført i 1961-1965. og betragtes som en af de mest slående resultater inden for molekylærbiologi.

Den genetiske kode forstås sædvanligvis som et system af tegn, der angiver det sekventielle arrangement af nukleotidforbindelser i DNA og RNA, hvilket svarer til et andet skiltesystem, der viser sekvensen af aminosyreforbindelser i et proteinmolekyle.

Dette er vigtigt!

Da det lykkedes forskerne at studere egenskaberne af den genetiske kode, blev universalitet anerkendt som en af de vigtigste. Ja, hvor mærkeligt det end lyder, så er alt forenet af én, universel, fælles genetisk kode. Det blev dannet over en lang periode, og processen sluttede for omkring 3,5 milliarder år siden. Følgelig kan spor af dens udvikling spores i kodens struktur, fra dens begyndelse til i dag.

Når man taler om rækkefølgen af arrangementet af elementer i den genetiske kode, menes det, at det er langt fra kaotisk, men strengt taget en bestemt rækkefølge. Og dette bestemmer også i høj grad egenskaberne af den genetiske kode. Dette svarer til arrangementet af bogstaver og stavelser i ord. Når vi først bryder den sædvanlige rækkefølge, vil det meste af det, vi læser på siderne i bøger eller aviser, blive til latterligt sludder.

Grundlæggende egenskaber ved den genetiske kode

Normalt indeholder koden nogle oplysninger krypteret på en særlig måde. For at dechifrere koden skal du vide det særpræg.

Så de vigtigste egenskaber ved den genetiske kode er:

triplicitet;
degeneration eller redundans;
entydighed;
kontinuitet;
den alsidighed, der allerede er nævnt ovenfor.

Lad os se nærmere på hver enkelt ejendom.

1. Trefoldighed

Dette er, når tre nukleotidforbindelser danner en sekventiel kæde i et molekyle (dvs. DNA eller RNA). Som et resultat dannes en tripletforbindelse eller koder for en af aminosyrerne, dens placering i peptidkæden.

Kodoner (de er også kodeord!) er kendetegnet ved deres sekvens af forbindelser og ved typen af de nitrogenholdige forbindelser (nukleotider), der er en del af dem.

I genetik er det sædvanligt at skelne mellem 64 kodontyper. De kan danne kombinationer af fire typer 3 nukleotider hver. Dette svarer til at hæve tallet 4 til tredje potens. Således er dannelsen af 64 nukleotidkombinationer mulig.

2. Redundans af den genetiske kode

Denne egenskab observeres, når der kræves flere kodoner for at kryptere én aminosyre, sædvanligvis i området 2-6. Og kun tryptofan kan kodes ved hjælp af en triplet.

3. Entydighed

Det er inkluderet i egenskaberne af den genetiske kode som en indikator for sund genetisk arv. For eksempel kan GAA-tripletten, som ligger på sjettepladsen i kæden, fortælle lægerne om blodets gode tilstand, om normalt hæmoglobin. Det er ham, der bærer information om hæmoglobin, og det er også kodet af det. Og hvis en person har anæmi, erstattes et af nukleotiderne med et andet bogstav i koden - U, som er et signal om sygdommen.

4. Kontinuitet

Når du registrerer denne egenskab af den genetiske kode, skal det huskes, at kodoner, ligesom led i en kæde, ikke er placeret på afstand, men i umiddelbar nærhed, den ene efter den anden i nukleinsyrekæden, og denne kæde er ikke afbrudt - den har ingen begyndelse eller slutning.

5. Alsidighed

Vi må aldrig glemme, at alt på Jorden er forenet af en fælles genetisk kode. Og derfor, hos primater og mennesker, hos insekter og fugle, i et hundrede år gammelt baobabtræ og i et græsstrå, der knap kommer frem fra jorden, koder lignende trillinger for lignende aminosyrer.

Det er i gener, at den grundlæggende information om en bestemt organismes egenskaber er indeholdt, en slags program, som organismen arver fra dem, der levede tidligere, og som eksisterer som en genetisk kode.