Ģenētiskais kods tiek lasīts nepārtraukti. Ģenētiskais kods: apraksts, īpašības, pētījumu vēsture

Izstrādājot šīs tēmas, jums vajadzētu būt iespējai:

Aprakstiet tālāk minētos jēdzienus un izskaidrojiet to savstarpējās attiecības:
- polimērs, monomērs;
- ogļhidrāti, monosaharīds, disaharīds, polisaharīds;
- lipīds, taukskābes, glicerīns;
- aminoskābe, peptīdu saite, proteīns;
- katalizators, ferments, aktīvā vieta;
- nukleīnskābe, nukleotīds.
Uzskaitiet 5–6 iemeslus, kuru dēļ ūdens ir tik svarīga dzīvo sistēmu sastāvdaļa.
Nosauciet četras galvenās klases organiskie savienojumi kas atrodas dzīvos organismos; aprakstiet katra no tām lomu.
Paskaidrojiet, kāpēc fermentu kontrolētas reakcijas ir atkarīgas no temperatūras, pH un koenzīmu klātbūtnes.
Izskaidrojiet ATP lomu šūnas enerģijas ekonomikā.
Nosauciet gaismas izraisīto reakciju un oglekļa fiksācijas reakciju izejmateriālus, galvenos posmus un galaproduktus.
Dodiet īss apraksts vispārīga šūnu elpošanas shēma, no kuras būtu skaidrs, kurā vietā ir glikolīzes reakcijas, G. Krebsa cikls (cikls citronskābe) un elektronu transportēšanas ķēdi.
Salīdziniet elpošanu un fermentāciju.
Aprakstiet DNS molekulas uzbūvi un paskaidrojiet, kāpēc adenīna atlieku skaits ir vienāds ar timīna atlikumu skaitu, bet guanīna atlikumu skaits ir vienāds ar citozīna atlikumu skaitu.
Rakstīt īsa diagramma RNS sintēze DNS (transkripcija) prokariotos.
Aprakstiet īpašības ģenētiskais kods un paskaidrojiet, kāpēc tam vajadzētu būt tripletam.
Pamatojoties uz doto DNS ķēdes un kodonu tabulu, nosakiet ziņneša RNS komplementāro secību, norādiet pārneses RNS kodonus un aminoskābju secību, kas veidojas translācijas rezultātā.
Uzskaitiet olbaltumvielu sintēzes posmus ribosomu līmenī.

Algoritms problēmu risināšanai.

1. veids. DNS paškopēšana.

Vienai no DNS ķēdēm ir šāda nukleotīdu secība:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Kāda nukleotīdu secība ir tās pašas molekulas otrajai ķēdei?

Lai uzrakstītu DNS molekulas otrās virknes nukleotīdu secību, kad ir zināma pirmās virknes secība, pietiek timīnu aizstāt ar adenīnu, adenīnu ar timīnu, guanīnu ar citozīnu un citozīnu ar guanīnu. Pēc šīs nomaiņas mēs iegūstam secību:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

2. veids. Olbaltumvielu kodēšana.

Ribonukleāzes proteīna aminoskābju ķēdei ir šāds sākums: lizīns-glutamīns-treonīns-alanīns-alanīns-alanīns-lizīns...
Ar kādu nukleotīdu secību sākas šim proteīnam atbilstošais gēns?

Lai to izdarītu, izmantojiet ģenētiskā koda tabulu. Katrai aminoskābei mēs atrodam tās koda apzīmējumu atbilstošā nukleotīdu trīskārša formā un pierakstām. Sakārtojot šos tripletus vienu pēc otra tādā pašā secībā kā atbilstošās aminoskābes, iegūstam ziņneša RNS sekcijas struktūras formulu. Parasti ir vairāki šādi trīnīši, izvēle tiek veikta pēc jūsu lēmuma (bet tiek ņemts tikai viens no trīnīšiem). Attiecīgi var būt vairāki risinājumi.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Ar kādu aminoskābju secību sākas proteīns, ja to kodē šāda nukleotīdu secība:
ACCTTCCATGGCCGGT...

Izmantojot komplementaritātes principu, mēs atrodam kurjera RNS sekcijas struktūru, kas izveidota noteiktā DNS molekulas segmentā:
UGCGGGGUACCGGCCCA...

Tad mēs pievēršamies ģenētiskā koda tabulai un katram nukleotīdu trīskāršam, sākot no pirmā, atrodam un izrakstām atbilstošo aminoskābi:
Cisteīns-glicīns-tirozīns-arginīns-prolīns-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Mjagkova A.N. " Vispārējā bioloģija". Maskava, "Apgaismība", 2000

4. tēma." Ķīmiskais sastāvsšūnas." §2-§7 7.-21. lpp
5. tēma. "Fotosintēze". §16-17 44.-48.lpp
6. tēma "Šūnu elpošana." §12-13 34.-38.lpp
7. tēma. "Ģenētiskā informācija". §14-15 39.-44.lpp

Ģenētiskais kods ir īpašs šifrējums iedzimta informācija ar molekulu palīdzību Pamatojoties uz to, gēni atbilstoši kontrolē olbaltumvielu un enzīmu sintēzi organismā, tādējādi nosakot vielmaiņu. Savukārt atsevišķu proteīnu struktūru un to funkcijas nosaka aminoskābju - proteīna molekulas struktūrvienību - atrašanās vieta un sastāvs.

Pagājušā gadsimta vidū tika identificēti gēni, kas ir atsevišķas sadaļas (saīsināti kā DNS). Nukleotīdu vienības veido raksturīgu dubulto ķēdi, kas samontēta spirāles formā.

Zinātnieki ir atraduši saistību starp gēniem un atsevišķu olbaltumvielu ķīmisko struktūru, kuras būtība ir tāda, ka aminoskābju strukturālā secība proteīna molekulās pilnībā atbilst nukleotīdu secībai gēnā. Konstatējuši šo saistību, zinātnieki nolēma atšifrēt ģenētisko kodu, t.i. noteikt atbilstības likumus starp nukleotīdu strukturālajām secībām DNS un aminoskābēm olbaltumvielās.

Ir tikai četri nukleotīdu veidi:

1) A - adenilgrupa;

2) G - guanilgrupa;

3) T - timidilgrupa;

4) C - citidils.

Olbaltumvielas satur divdesmit veidu pamata aminoskābes. Grūtības radās ģenētiskā koda atšifrēšanā, jo tajā ir daudz mazāk nukleotīdu nekā aminoskābju. Risinot šo problēmu, tika ierosināts, ka aminoskābes kodē dažādas trīs nukleotīdu kombinācijas (tā sauktais kodons vai triplets).

Turklāt bija precīzi jāpaskaidro, kā trīnīši atrodas gar gēnu. Tādējādi radās trīs galvenās teoriju grupas:

1) trīnīši nepārtraukti seko viens otram, t.i. veido nepārtrauktu kodu;

2) trīnīši izkārtoti ar mainīgām “bezjēdzīgām” sekcijām, t.i. kodā veido tā sauktos “komatus” un “punktus”;

3) trīnīši var pārklāties, t.i. pirmā tripleta beigas var veidot nākamā sākumu.

Pašlaik galvenokārt tiek izmantota koda nepārtrauktības teorija.

Ģenētiskais kods un tā īpašības

1) Kods ir triplets - tas sastāv no patvaļīgām trīs nukleotīdu kombinācijām, kas veido kodonus.

2) ģenētiskais kods ir lieks – tā tripleti. Vienu aminoskābi var kodēt vairāki kodoni, jo saskaņā ar matemātiskiem aprēķiniem kodonu ir trīs reizes vairāk nekā aminoskābju. Daži kodoni veic īpašas beigu funkcijas: daži var būt "apturēšanas signāli", kas programmē aminoskābju ķēdes ražošanas beigas, bet citi var norādīt uz koda lasīšanas sākšanu.

3) Ģenētiskais kods ir nepārprotams – katrs kodons var atbilst tikai vienai aminoskābei.

4) Ģenētiskais kods ir kolineārs, t.i. nukleotīdu secība un aminoskābju secība skaidri atbilst viena otrai.

5) kods ir rakstīts nepārtraukti un kompakti, tajā nav “bezjēdzīgu” nukleotīdu. Tas sākas ar konkrētu tripletu, kuru bez pārtraukuma aizstāj ar nākamo un beidzas ar stopkodonu.

6) Ģenētiskais kods ir universāls – jebkura organisma gēni tieši tāpat kodē informāciju par olbaltumvielām. Tas nav atkarīgs no organisma organizācijas sarežģītības līmeņa vai tā sistēmiskā stāvokļa.

Mūsdienu zinātne liecina, ka ģenētiskais kods rodas tieši jauna organisma ģenerēšanas laikā no kaulu vielas. Nejaušas izmaiņas un evolūcijas procesi padara iespējamus jebkādus koda variantus, t.i. aminoskābes var pārkārtot jebkurā secībā. Kāpēc šis konkrētais koda veids izdzīvoja evolūcijas laikā, kāpēc kods ir universāls un tam ir līdzīga struktūra? Jo vairāk zinātne uzzina par ģenētiskā koda fenomenu, jo vairāk rodas jaunu noslēpumu.

Jebkurā šūnā un organismā visas anatomiskās, morfoloģiskās un funkcionālās īpašības nosaka tos saturošo olbaltumvielu struktūra. Mantojuma īpašumsĶermenis spēj sintezēt noteiktus proteīnus. Aminoskābes atrodas polipeptīdu ķēdē, no kuras ir atkarīgas bioloģiskās īpašības.
Katrai šūnai ir sava nukleotīdu secība DNS polinukleotīdu ķēdē. Tas ir DNS ģenētiskais kods. Caur to tiek ierakstīta informācija par noteiktu proteīnu sintēzi. Par to, kas ir ģenētiskais kods, par tā īpašībām un ģenētiskā informācija ir apspriests šajā rakstā.

Nedaudz vēstures

Ideju, ka varētu būt ģenētiskais kods, divdesmitā gadsimta vidū formulēja J. Gamovs un A. Dauns. Viņi aprakstīja, ka nukleotīdu secība, kas ir atbildīga par konkrētas aminoskābes sintēzi, satur vismaz trīs vienības. Vēlāk viņi pierādīja precīzu trīs nukleotīdu skaitu (tā ir ģenētiskā koda vienība), ko sauca par tripletu vai kodonu. Kopumā ir sešdesmit četri nukleotīdi, jo skābes molekula, kurā notiek RNS, sastāv no četriem dažādiem nukleotīdu atlikumiem.

Kas ir ģenētiskais kods

Aminoskābju proteīnu secības kodēšanas metode nukleotīdu secības dēļ ir raksturīga visām dzīvām šūnām un organismiem. Tas ir ģenētiskais kods.
DNS ir četri nukleotīdi:

adenīns - A;
guanīns - G;
citozīns - C;
timīns - T.

Tos apzīmē ar lielajiem latīņu vai (krievu valodas literatūrā) krievu burtiem.
RNS satur arī četrus nukleotīdus, bet viens no tiem atšķiras no DNS:

adenīns - A;
guanīns - G;
citozīns - C;
uracils - U.

Visi nukleotīdi ir sakārtoti ķēdēs, un DNS ir dubultā spirāle un RNS ir viena spirāle.
Olbaltumvielas ir veidotas uz divdesmit aminoskābēm, kur tās, atrodoties noteiktā secībā, nosaka to bioloģiskās īpašības.

Ģenētiskā koda īpašības

Trīskāršība. Ģenētiskā koda vienība sastāv no trim burtiem, tā ir tripleta. Tas nozīmē, ka divdesmit esošās aminoskābes kodē trīs specifiski nukleotīdi, ko sauc par kodoniem vai trilpetiem. Ir sešdesmit četras kombinācijas, kuras var izveidot no četriem nukleotīdiem. Šis daudzums ir vairāk nekā pietiekams, lai iekodētu divdesmit aminoskābes.
Deģenerācija. Katra aminoskābe atbilst vairāk nekā vienam kodonam, izņemot metionīnu un triptofānu.
Nepārprotamība. Viens kodons kodē vienu aminoskābi. Piemēram, gēnā vesels cilvēks ar informāciju par hemoglobīna beta mērķi, GAG un GAA triplets kodē A ikvienam ar sirpjveida šūnu anēmiju, tiek mainīts viens nukleotīds.
Kolinearitāte. Aminoskābju secība vienmēr atbilst nukleotīdu secībai, ko satur gēns.
Ģenētiskais kods ir nepārtraukts un kompakts, kas nozīmē, ka tam nav pieturzīmju. Tas ir, sākot no noteikta kodona, notiek nepārtraukta lasīšana. Piemēram, AUGGGUGTSUAUAUGUG tiks lasīts šādi: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Bet ne AUG, UGG un tā tālāk vai kaut kas cits.
Daudzpusība. Tas attiecas uz absolūti visiem sauszemes organismiem, sākot no cilvēkiem, beidzot ar zivīm, sēnītēm un baktērijām.

Tabula

Ne visas pieejamās aminoskābes ir iekļautas tabulā. Hidroksiprolīna, hidroksilizīna, fosfoserīna, tirozīna, cistīna un dažu citu joda atvasinājumu nav, jo tie ir citu aminoskābju atvasinājumi, ko kodē m-RNS un kas veidojas pēc proteīnu modifikācijas translācijas rezultātā.
No ģenētiskā koda īpašībām ir zināms, ka viens kodons spēj kodēt vienu aminoskābi. Izņēmums ir izpildītājs papildu funkcijas un kodē valīnu un metionīnu, ģenētisko kodu. MRNS, kas atrodas kodona sākumā, pievieno t-RNS, kas nes formilmetionu. Pēc sintēzes pabeigšanas tas tiek atdalīts un paņem līdzi formila atlikumu, pārvēršoties par metionīna atlikumu. Tādējādi iepriekš minētie kodoni ir polipeptīdu ķēdes sintēzes iniciatori. Ja viņi nav sākumā, tad viņi ne ar ko neatšķiras no pārējiem.

Ģenētiskā informācija

Šis jēdziens nozīmē īpašību programmu, kas ir nodota no senčiem. Tas ir iestrādāts iedzimtībā kā ģenētiskais kods.
Ģenētiskais kods tiek realizēts proteīnu sintēzes laikā:

Messenger RNS;
ribosomu rRNS.

Informācija tiek pārraidīta, izmantojot tiešo saziņu (DNS-RNS-proteīns) un reverso komunikāciju (vidēja proteīna-DNS).
Organismi to var visefektīvāk uztvert, uzglabāt, pārraidīt un izmantot.
Informācija, kas tiek nodota mantojumā, nosaka konkrēta organisma attīstību. Bet sakarā ar mijiedarbību ar vidi pēdējā reakcija ir izkropļota, kā rezultātā notiek evolūcija un attīstība. Tādā veidā organismā tiek ievadīta jauna informācija.

Skaitļošanas modeļi molekulārā bioloģija un ģenētiskā koda atklāšana ilustrēja nepieciešamību apvienot ģenētiku ar Darvina teoriju, uz kuras pamata radās sintētiskā evolūcijas teorija - neklasiskā bioloģija.
Darvina iedzimtību, variāciju un dabisko atlasi papildina ģenētiski noteikta atlase. Evolūcija tiek realizēta ģenētiskā līmenī, izmantojot nejaušas mutācijas un visvērtīgāko īpašību pārmantošanu, kas ir visvairāk pielāgotas videi.

Cilvēka koda atšifrēšana

Deviņdesmitajos gados tika uzsākts Cilvēka genoma projekts, kura rezultātā 2000. gados tika atklāti genoma fragmenti, kas satur 99,99% cilvēka gēnu. Fragmenti, kas nav iesaistīti olbaltumvielu sintēzē un nav kodēti, paliek nezināmi. Viņu loma pagaidām nav zināma.

Pēdējo reizi atklāta 2006. gadā, 1. hromosoma ir garākā genomā. Vairāk nekā trīssimt piecdesmit slimības, tostarp vēzis, parādās traucējumu un mutāciju rezultātā.

Šādu pētījumu lomu nevar pārvērtēt. Kad viņi atklāja, kas ir ģenētiskais kods, kļuva zināms, pēc kādiem modeļiem notiek attīstība, kā veidojas indivīdu morfoloģiskā struktūra, psihe, nosliece uz noteiktām slimībām, vielmaiņa un defekti.

ĢENĒTISKAIS KODS, veids, kā ierakstīt iedzimtu informāciju molekulās nukleīnskābes nukleotīdu secības veidā, kas veido šīs skābes. Noteikta nukleotīdu secība DNS un RNS atbilst noteiktai aminoskābju secībai proteīnu polipeptīdu ķēdēs. Ir ierasts rakstīt kodu, izmantojot krievu vai latīņu alfabēta lielos burtus. Katrs nukleotīds tiek apzīmēts ar burtu, ar kuru sākas tā molekulā iekļautās slāpekļa bāzes nosaukums: A (A) - adenīns, G (G) - guanīns, C (C) - citozīns, T (T) - timīns; RNS timīna vietā uracils ir U (U). Katru no tiem kodē trīs nukleotīdu kombinācija - triplets vai kodons. Īsumā ģenētiskās informācijas nodošanas ceļš ir apkopots t.s. Molekulārās bioloģijas galvenā dogma: DNS `RNS f proteīns.

IN īpaši gadījumi informāciju var pārnest no RNS uz DNS, bet nekad no olbaltumvielām uz gēniem.

Ģenētiskās informācijas ieviešana tiek veikta divos posmos. Šūnas kodolā, informatīvajā vai matricā, RNS (transkripcija) tiek sintezēta uz DNS. Šajā gadījumā DNS nukleotīdu secība tiek “pārrakstīta” (pārkodēta) mRNS nukleotīdu secībā. Tad mRNS nokļūst citoplazmā, pievienojas ribosomai, un uz tās, tāpat kā uz matricas, tiek sintezēta proteīna polipeptīda ķēde (translācija). Aminoskābes tiek pievienotas ķēdei, kas tiek veidota, izmantojot pārneses RNS secībā, ko nosaka nukleotīdu secība mRNS.

No četriem “burtiem” var izveidot 64 dažādus trīs burtu “vārdus” (kodonus). No 64 kodoniem 61 kodē specifiskas aminoskābes, un trīs ir atbildīgi par polipeptīdu ķēdes sintēzes pabeigšanu. Tā kā uz 20 aminoskābēm, kas veido olbaltumvielas, ir 61 kodons, dažas aminoskābes kodē vairāk nekā viens kodons (tā sauktā koda deģenerācija). Šī dublēšana palielina koda un visa proteīna biosintēzes mehānisma ticamību. Vēl viena koda īpašība ir tā specifika (viennozīmīgums): viens kodons kodē tikai vienu aminoskābi.

Turklāt kods nepārklājas – informācija tiek nolasīta vienā virzienā secīgi, tripleta pa tripletam. Lielākā daļa pārsteidzošs īpašums kods - tā universālums: tas ir vienāds visās dzīvajās būtnēs - no baktērijām līdz cilvēkiem (izņemot mitohondriju ģenētisko kodu). Zinātnieki to uzskata par apstiprinājumu priekšstatam, ka visi organismi ir cēlušies no viena kopīga senča.

Ģenētiskā koda atšifrēšana, t.i., katra kodona “nozīmes” un informācijas nolasīšanas noteikumu noteikšana, tika veikta 1961.–1965. un tiek uzskatīts par vienu no spilgtākajiem molekulārās bioloģijas sasniegumiem.

Ģenētiskais kods parasti tiek saprasts kā zīmju sistēma, kas norāda uz secīgu nukleotīdu savienojumu izvietojumu DNS un RNS, kas atbilst citai. zīmju sistēma, kas parāda aminoskābju savienojumu secību proteīna molekulā.

Tas ir svarīgi!

Kad zinātniekiem izdevās izpētīt ģenētiskā koda īpašības, universālums tika atzīts par vienu no galvenajiem. Jā, lai cik dīvaini tas neizklausītos, visu vieno viens, universāls, kopīgs ģenētiskais kods. Tas veidojās ilgā laika periodā, un process beidzās apmēram pirms 3,5 miljardiem gadu. Līdz ar to koda struktūrā no tā pirmsākumiem līdz mūsdienām var izsekot tā evolūcijas pēdas.

Kad mēs runājam par elementu izkārtojuma secību ģenētiskajā kodā, mēs domājam, ka tā ir tālu no haotiska, bet stingri noteikta kārtība. Un tas arī lielā mērā nosaka ģenētiskā koda īpašības. Tas ir līdzvērtīgs burtu un zilbju izkārtojumam vārdos. Tiklīdz mēs pārkāpsim ierasto kārtību, lielākā daļa no tā, ko mēs lasām grāmatu vai avīžu lapās, pārvērtīsies par smieklīgu ķemmēšanu.

Ģenētiskā koda pamatīpašības

Parasti kods satur kādu īpašā veidā šifrētu informāciju. Lai atšifrētu kodu, jums tas jāzina raksturīgās iezīmes.

Tātad ģenētiskā koda galvenās īpašības ir:

trīskāršība;
deģenerācija vai atlaišana;
nepārprotamība;
nepārtrauktība;
jau iepriekš minētā daudzpusība.

Apskatīsim katru īpašumu tuvāk.

1. Trīskāršība

Tas ir tad, kad trīs nukleotīdu savienojumi veido secīgu ķēdi molekulā (t.i., DNS vai RNS). Rezultātā tiek izveidots tripleta savienojums jeb kodē kādu no aminoskābēm, tās atrašanās vietu peptīdu ķēdē.

Kodoni (tie arī ir koda vārdi!) izceļas pēc to savienojumu secības un to slāpekļa savienojumu (nukleotīdu) veida, kas tajos ietilpst.

Ģenētikā ir ierasts atšķirt 64 kodonu tipus. Tie var veidot kombinācijas četri veidi 3 nukleotīdi katrā. Tas ir līdzvērtīgs skaitļa 4 paaugstināšanai līdz trešajai pakāpei. Tādējādi ir iespējama 64 nukleotīdu kombināciju veidošanās.

2. Ģenētiskā koda redundance

Šī īpašība tiek novērota, ja vienas aminoskābes šifrēšanai ir nepieciešami vairāki kodoni, parasti diapazonā no 2 līdz 6. Un tikai triptofānu var kodēt, izmantojot vienu tripletu.

3. Nepārprotamība

Tas ir iekļauts ģenētiskā koda īpašībās kā veselīgas ģenētiskās mantojuma indikators. Piemēram, GAA triplets, kas atrodas ķēdes sestajā vietā, var pastāstīt ārstiem par labu asins stāvokli, par normālu hemoglobīnu. Tas ir tas, kurš nes informāciju par hemoglobīnu, un tas ir arī kodēts Un, ja cilvēkam ir anēmija, viens no nukleotīdiem tiek aizstāts ar citu koda burtu - U, kas ir slimības signāls.

4. Nepārtrauktība

Reģistrējot šo ģenētiskā koda īpašību, jāatceras, ka kodoni, tāpat kā ķēdes saites, atrodas nevis attālumā, bet tiešā tuvumā, viens pēc otra nukleīnskābju ķēdē, un šī ķēde netiek pārtraukta - tam nav ne sākuma, ne beigu.

5. Daudzpusība

Mēs nekad nedrīkstam aizmirst, ka visu uz Zemes vieno kopīgs ģenētiskais kods. Un tāpēc primātos un cilvēkos, kukaiņos un putnos, simtgadīgā baobaba kokā un zāles stiebrā, kas tik tikko izlīdis no zemes, līdzīgus trīskāršus kodē līdzīgas aminoskābes.

Tieši gēnos ir ietverta pamatinformācija par konkrētā organisma īpašībām, sava veida programma, ko organisms manto no agrāk dzīvojošajiem un kas pastāv kā ģenētisks kods.