Genetisk kode og dens egenskaper biologi. Degenerasjon av den genetiske koden: generell informasjon

Genklassifisering

1) Av arten av interaksjon i et allelpar:

Dominant (et gen som er i stand til å undertrykke manifestasjonen av et recessivt gen allel til det); - recessiv (et gen hvis uttrykk undertrykkes av dets allelisk dominerende gen).

2) Funksjonell klassifisering:

2) Genetisk kode- dette er visse kombinasjoner av nukleotider og sekvensen av deres plassering i DNA-molekylet. Dette er en metode som er karakteristisk for alle levende organismer for å kode for aminosyresekvensen til proteiner ved å bruke en sekvens av nukleotider.

DNA bruker fire nukleotider - adenin (A), guanin (G), cytosin (C), tymin (T), som i russisk litteratur er betegnet med bokstavene A, G, T og C. Disse bokstavene utgjør alfabetet til genetisk kode. RNA bruker de samme nukleotidene, med unntak av tymin, som erstattes av et lignende nukleotid - uracil, som er betegnet med bokstaven U (U i russiskspråklig litteratur). I DNA- og RNA-molekyler er nukleotider ordnet i kjeder, og dermed oppnås sekvenser av genetiske bokstaver.

Genetisk kode

For å bygge proteiner i naturen brukes 20 forskjellige aminosyrer. Hvert protein er en kjede eller flere kjeder av aminosyrer i en strengt definert sekvens. Denne sekvensen bestemmer strukturen til proteinet, og derfor hele dets biologiske egenskaper. Settet med aminosyrer er også universelt for nesten alle levende organismer.

Gjennomføring genetisk informasjon i levende celler (det vil si syntesen av proteinet kodet av genet) utføres ved hjelp av to matriseprosesser: transkripsjon (det vil si syntesen av mRNA på en DNA-mal) og translasjon av den genetiske koden til en aminosyresekvens (syntese av en polypeptidkjede på en mRNA-mal). Tre påfølgende nukleotider er tilstrekkelig til å kode for 20 aminosyrer, samt stoppsignalet som indikerer slutten av proteinsekvensen. Et sett med tre nukleotider kalles en triplett. Aksepterte forkortelser som tilsvarer aminosyrer og kodoner er vist i figuren.

Egenskaper til den genetiske koden

1. Trippel- en meningsfull kodeenhet er en kombinasjon av tre nukleotider (en triplett eller kodon).

2. Kontinuitet- det er ingen skilletegn mellom trillinger, det vil si at informasjonen leses kontinuerlig.

3. Diskrethet- samme nukleotid kan ikke være en del av to eller flere tripletter samtidig.

4. Spesifisitet- et spesifikt kodon tilsvarer kun én aminosyre.

5. Degenerasjon (redundans)- flere kodoner kan tilsvare samme aminosyre.

6. Allsidighet - genetisk kode fungerer på samme måte i organismer ulike nivåer kompleksitet - fra virus til mennesker. (metodene er basert på dette genteknologi)

3) transkripsjon - prosessen med RNA-syntese ved bruk av DNA som mal som forekommer i alle levende celler. Det er med andre ord overføring av genetisk informasjon fra DNA til RNA.

Transkripsjon katalyseres av enzymet DNA-avhengig RNA-polymerase. Prosessen med RNA-syntese fortsetter i retningen fra 5" til 3"-enden, det vil si at langs DNA-templatetråden beveger RNA-polymerase seg i retningen 3"->5"

Transkripsjon består av stadiene initiering, forlengelse og avslutning.

Igangsetting av transkripsjon- en kompleks prosess som avhenger av DNA-sekvensen nær den transkriberte sekvensen (og i eukaryoter også på fjernere deler av genomet - forsterkere og lyddempere) og av tilstedeværelse eller fravær av ulike proteinfaktorer.

Forlengelse- videre avvikling av DNA og syntese av RNA langs den kodende kjeden fortsetter. det, som DNA-syntese, skjer i 5-3-retningen

Avslutning- så snart polymerasen når terminatoren, splittes den umiddelbart fra DNA'et, den lokale DNA-RNA-hybriden blir ødelagt og det nysyntetiserte RNA'et transporteres fra kjernen til cytoplasmaet, og transkripsjonen er fullført.

Behandling- et sett med reaksjoner som fører til transformasjon av primærprodukter av transkripsjon og translasjon til fungerende molekyler. Funksjonelt inaktive forløpermolekyler blir utsatt for P. ribonukleinsyrer (tRNA, rRNA, mRNA) og mange andre. proteiner.

I prosessen med syntese av katabolske enzymer (nedbryting av substrater), forekommer induserbar syntese av enzymer i prokaryoter. Dette gir cellen mulighet til å tilpasse seg miljøforhold og spare energi ved å stoppe syntesen av det tilsvarende enzymet dersom behovet for det forsvinner.
For å indusere syntesen av katabolske enzymer kreves følgende forhold:

1. Enzymet syntetiseres kun når nedbrytningen av det tilsvarende substratet er nødvendig for cellen.
2. Konsentrasjonen av substratet i mediet må overstige et visst nivå før det tilsvarende enzymet kan dannes.
Mekanismen for regulering av genuttrykk i Escherichia coli er den mest studerte ved å bruke eksemplet med lac operon, som kontrollerer syntesen av tre katabolske enzymer som bryter ned laktose. Hvis det er mye glukose og lite laktose i cellen, forblir promoteren inaktiv, og repressorproteinet er lokalisert på operatøren - transkripsjon av lac-operonet blokkeres. Når mengden glukose i miljøet, og derfor i cellen, synker og laktose øker, oppstår følgende hendelser: mengden syklisk adenosinmonofosfat øker, det binder seg til CAP-proteinet - dette komplekset aktiverer promoteren som RNA-polymerase til binder; samtidig binder overflødig laktose seg til repressorproteinet og frigjør operatøren fra det - banen er åpen for RNA-polymerase, transkripsjon av de strukturelle genene til lac-operonet begynner. Laktose virker som en induser av syntesen av de enzymene som bryter den ned.

5) Regulering av genuttrykk i eukaryoter er mye mer komplisert. Forskjellige typer celler av en flercellet eukaryot organisme syntetiserer en rekke identiske proteiner og samtidig skiller de seg fra hverandre i et sett med proteiner som er spesifikke for celler av en gitt type. Produksjonsnivået avhenger av celletypen, samt utviklingsstadiet av organismen. Regulering av genuttrykk utføres på celle- og organismenivå. Genene til eukaryote celler er delt inn i to hovedtyper: den første bestemmer universaliteten til cellulære funksjoner, den andre bestemmer (bestemmer) spesialiserte cellulære funksjoner. Genfunksjoner første gruppe vises i alle celler. For å utføre differensierte funksjoner må spesialiserte celler uttrykke et spesifikt sett med gener.
Kromosomer, gener og operoner til eukaryote celler har en rekke strukturelle og funksjonelle trekk, noe som forklarer kompleksiteten til genuttrykk.
1. Operaner av eukaryote celler har flere gener - regulatorer, som kan være lokalisert i forskjellige kromosomer.
2. Strukturelle gener som kontrollerer syntesen av enzymer i en biokjemisk prosess kan konsentreres i flere operoner, lokalisert ikke bare i ett DNA-molekyl, men også i flere.
3. Kompleks sekvens av et DNA-molekyl. Det er informative og ikke-informative seksjoner, unike og gjentatte gjentatte informative nukleotidsekvenser.
4. Eukaryote gener består av eksoner og introner, og modningen av mRNA er ledsaget av utskjæring av introner fra de tilsvarende primære RNA-transkriptene (pro-RNA), dvs. skjøting.
5. Prosessen med gentranskripsjon avhenger av kromatinets tilstand. Lokal DNA-komprimering blokkerer fullstendig RNA-syntese.
6. Transkripsjon i eukaryote celler er ikke alltid forbundet med translasjon. Det syntetiserte mRNA kan lang tid lagret i form av informasjonsomer. Transkripsjon og oversettelse forekommer i forskjellige rom.
7. Noen eukaryote gener har variabel lokalisering (labile gener eller transposoner).
8. Metoder molekylbiologi avslørte den hemmende effekten av histonproteiner på mRNA-syntese.
9. Under utvikling og differensiering av organer er genaktivitet avhengig av hormoner som sirkulerer i kroppen og forårsaker spesifikke reaksjoner i visse celler. Hos pattedyr er virkningen av kjønnshormoner viktig.
10. I eukaryoter, på hvert stadium av ontogenese, uttrykkes 5-10 % av genene, resten må blokkeres.

6) reparasjon genetisk materiale

Genetisk reparasjon- prosessen med å eliminere genetisk skade og gjenopprette det arvelige apparatet, som forekommer i cellene til levende organismer under påvirkning av spesielle enzymer. Cellenes evne til å reparere genetiske skader ble først oppdaget i 1949 av den amerikanske genetikeren A. Kellner. Reparere- en spesiell funksjon av celler, som består i evnen til å korrigere kjemiske skader og brudd i DNA-molekyler som er skadet under normal DNA-biosyntese i cellen eller som et resultat av eksponering for fysiske eller kjemiske midler. Det utføres av spesielle enzymsystemer i cellen. En rekke arvelige sykdommer (f.eks. xeroderma pigmentosum) er assosiert med forstyrrelser i reparasjonssystemer.

typer reparasjoner:

Direkte reparasjon er den enkleste måten å eliminere skade i DNA, som vanligvis involverer spesifikke enzymer som raskt (vanligvis i ett trinn) kan eliminere den tilsvarende skaden, og gjenopprette den opprinnelige strukturen til nukleotidene. Dette er for eksempel tilfellet med O6-metylguanin DNA-metyltransferase, som fjerner en metylgruppe fra en nitrogenholdig base til en av dens egne cysteinrester.

Den genetiske koden, uttrykt i kodoner, er et system for koding av informasjon om strukturen til proteiner, som er iboende i alle levende organismer på planeten. Det tok et tiår å tyde det, men vitenskapen forsto at det eksisterte i nesten et århundre. Universalitet, spesifisitet, ensrettethet, og spesielt degenerasjonen av den genetiske koden er viktig biologisk betydning.

Historie om funn

Problemet med koding har alltid vært nøkkelen i biologien. Vitenskapen har beveget seg ganske sakte mot matrisestrukturen til den genetiske koden. Siden oppdagelsen av den doble spiralstrukturen til DNA av J. Watson og F. Crick i 1953, begynte stadiet med å avdekke selve strukturen til koden, noe som førte til tro på naturens storhet. Den lineære strukturen til proteiner og den samme strukturen til DNA antydet tilstedeværelsen av en genetisk kode som en korrespondanse mellom to tekster, men skrevet vha. forskjellige alfabeter. Og hvis alfabetet til proteiner var kjent, ble DNA-tegnene gjenstand for studier av biologer, fysikere og matematikere.

Det er ingen vits i å beskrive alle trinnene for å løse denne gåten. Et direkte eksperiment som beviste og bekreftet at det er en klar og konsistent samsvar mellom DNA-kodoner og proteinaminosyrer ble utført i 1964 av C. Janowski og S. Brenner. Og så - perioden med å dechiffrere den genetiske koden in vitro (i et reagensrør) ved bruk av proteinsynteseteknikker i cellefrie strukturer.

Den fullstendig dechiffrerte koden til E. Coli ble offentliggjort i 1966 på et symposium med biologer i Cold Spring Harbor (USA). Da ble redundansen (degenerasjonen) av den genetiske koden oppdaget. Hva dette betyr er forklart ganske enkelt.

Dekodingen fortsetter

Innhenting av data om å tyde arvekoden var en av de viktigste hendelsene i forrige århundre. I dag fortsetter vitenskapen å studere mekanismene til molekylære kodinger og dens systemiske egenskaper og overskudd av tegn, som uttrykker degenerasjonsegenskapen til den genetiske koden. En egen studiegren er fremveksten og utviklingen av systemet for koding av arvemateriale. Bevis på sammenhengen mellom polynukleotider (DNA) og polypeptider (proteiner) ga impulser til utviklingen av molekylærbiologi. Og det i sin tur til bioteknologi, bioingeniør, funn innen avl og plantedyrking.

Dogmer og regler

Hoveddogmet for molekylærbiologi er at informasjon overføres fra DNA til messenger-RNA, og deretter fra det til protein. I motsatt retning er overføring mulig fra RNA til DNA og fra RNA til et annet RNA.

Men matrisen eller grunnlaget forblir alltid DNA. Og alle andre grunnleggende trekk ved informasjonsoverføring er en refleksjon av denne matrisenaturen til overføring. Nemlig overføring gjennom syntesen av andre molekyler på matrisen, som vil bli strukturen for reproduksjon av arvelig informasjon.

Genetisk kode

Lineær koding av strukturen til proteinmolekyler utføres ved hjelp av komplementære kodoner (tripletter) av nukleotider, hvorav det bare er 4 (adein, guanin, cytosin, tymin (uracil)), som spontant fører til dannelsen av en annen kjede av nukleotider . Det samme antallet og kjemiske komplementariteten til nukleotider er hovedbetingelsen for en slik syntese. Men når et proteinmolekyl dannes, er det ingen kvalitetsmatch mellom mengde og kvalitet av monomerer (DNA-nukleotider er proteinaminosyrer). Dette er den naturlige arvelige koden - et system for å registrere sekvensen av aminosyrer i et protein i en sekvens av nukleotider (kodoner).

Den genetiske koden har flere egenskaper:

• Trippelitet.
• Entydighet.
• Retningsmessighet.
• Ikke-overlappende.
• Redundans (degenerasjon) av den genetiske koden.
• Allsidighet.

La oss gi Kort beskrivelse, med fokus på biologisk betydning.

Trippel, kontinuitet og tilstedeværelsen av stoppsignaler

Hver av de 61 aminosyrene tilsvarer en sansetriplett (triplett) av nukleotider. Tre trillinger har ikke aminosyreinformasjon og er stoppkodoner. Hvert nukleotid i kjeden er en del av en triplett og eksisterer ikke alene. På slutten og i begynnelsen av kjeden av nukleotider som er ansvarlige for ett protein, er det stoppkodoner. De starter eller stopper translasjon (syntesen av et proteinmolekyl).

Spesifisitet, ikke-overlapping og ensrettethet

Hvert kodon (triplett) koder for kun én aminosyre. Hver triplett er uavhengig av sin nabo og overlapper ikke. Ett nukleotid kan inkluderes i bare en triplett i kjeden. Proteinsyntese skjer alltid i bare én retning, som reguleres av stoppkodoner.

Redundans av den genetiske koden

Hver triplett av nukleotider koder for én aminosyre. Det er totalt 64 nukleotider, hvorav 61 koder for aminosyrer (sansekodoner), og tre er tull, det vil si at de ikke koder for en aminosyre (stoppkodoner). Redundansen (degenerasjonen) av den genetiske koden ligger i det faktum at det i hver triplett kan gjøres substitusjoner - radikale (fører til erstatning av en aminosyre) og konservative (ikke endre klassen til aminosyren). Det er lett å beregne at hvis 9 substitusjoner kan gjøres i en triplett (posisjon 1, 2 og 3), kan hvert nukleotid erstattes med 4 - 1 = 3 andre alternativer, da Total mulige alternativer Det vil være 619 nukleotidsubstitusjoner = 549.

Degenerasjonen av den genetiske koden manifesteres i det faktum at 549 varianter er mye mer enn det som trengs for å kode informasjon om 21 aminosyrer. Dessuten, av 549 varianter, vil 23 substitusjoner føre til dannelse av stoppkodoner, 134 + 230 substitusjoner er konservative og 162 substitusjoner er radikale.

Regel for degenerasjon og eksklusjon

Hvis to kodoner har to identiske første nukleotider, og de resterende er representert av nukleotider av samme klasse (purin eller pyrimidin), så bærer de informasjon om den samme aminosyren. Dette er regelen for degenerasjon eller redundans av den genetiske koden. To unntak er AUA og UGA - det første koder for metionin, selv om det skal være isoleucin, og det andre er et stoppkodon, selv om det skal kode for tryptofan.

Betydningen av degenerasjon og universalitet

Det er disse to egenskapene til den genetiske koden som har størst biologisk betydning. Alle egenskapene som er oppført ovenfor er karakteristiske for den arvelige informasjonen til alle former for levende organismer på planeten vår.

Degenerasjonen av den genetiske koden har adaptiv betydning, som multiple duplisering av koden for en aminosyre. I tillegg betyr dette en reduksjon i signifikans (degenerasjon) av det tredje nukleotidet i kodonet. Dette alternativet minimerer mutasjonsskade i DNA, noe som vil føre til grove brudd i proteinstrukturen. Dette forsvarsmekanisme levende organismer på planeten.

- ett system registreringer av arvelig informasjon i molekyler nukleinsyrer som en sekvens av nukleotider. Den genetiske koden er basert på bruken av et alfabet bestående av bare fire bokstaver-nukleotider, kjennetegnet ved nitrogenholdige baser: A, T, G, C.

Hovedegenskapene til den genetiske koden er som følger:

1. Den genetiske koden er triplett. En triplett (kodon) er en sekvens av tre nukleotider som koder for én aminosyre. Siden proteiner inneholder 20 aminosyrer, er det åpenbart at hver av dem ikke kan kodes av ett nukleotid (siden det bare er fire typer nukleotider i DNA, i dette tilfellet forblir 16 aminosyrer ukodet). To nukleotider er heller ikke nok til å kode for aminosyrer, siden det i dette tilfellet kun kan kodes for 16 aminosyrer. Midler, minste antall antall nukleotider som koder for en aminosyre er lik tre. (I dette tilfellet er antall mulige nukleotidtripletter 4 3 = 64).

2. Redundans (degenerasjon) av koden er en konsekvens av dens triplettnatur og betyr at én aminosyre kan kodes av flere tripletter (siden det er 20 aminosyrer og 64 tripletter). Unntakene er metionin og tryptofan, som bare er kodet av én triplett. I tillegg utfører noen trillinger spesifikke funksjoner. Så i mRNA-molekylet er tre av dem UAA, UAG, UGA stoppkodoner, dvs. stoppsignaler som stopper syntesen av polypeptidkjeden. Tripletten som tilsvarer metionin (AUG), lokalisert i begynnelsen av DNA-kjeden, koder ikke for en aminosyre, men utfører funksjonen å initiere (spennende) lesing.

3. Sammen med redundans er koden karakterisert av egenskapen entydighet, som betyr at hvert kodon tilsvarer kun én spesifikk aminosyre.

4. Koden er kollineær, dvs. sekvensen av nukleotider i et gen samsvarer nøyaktig med sekvensen av aminosyrer i et protein.

5. Den genetiske koden er ikke-overlappende og kompakt, det vil si at den ikke inneholder «tegnsettingstegn». Dette betyr at leseprosessen ikke åpner for muligheten for overlappende kolonner (tripletter), og starter ved et visst kodon fortsetter lesingen kontinuerlig, triplett etter triplett, inntil stoppsignalene (termineringskodoner). For eksempel, i mRNA vil følgende sekvens av nitrogenholdige baser AUGGGUGTSUAUAUGUG kun leses av slike tripletter: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG, og ikke AUG, UGG, GGU, GUG, etc. eller AUG, GGU, UGC, CUU , etc. etc. eller på annen måte (for eksempel kodon AUG, skilletegn G, kodon UGC, skilletegn U osv.).

6. Den genetiske koden er universell, dvs. kjernegenene til alle organismer koder informasjon om proteiner på samme måte, uavhengig av organisasjonsnivå og systematisk posisjon disse organismene.

I kroppens stoffskifte hovedrolle tilhører proteiner og nukleinsyrer.
Proteinstoffer danner grunnlaget for alle vitale cellestrukturer og har en uvanlig høy reaktivitet, utstyrt med katalytiske funksjoner.
Nukleinsyrer er en del av cellens viktigste organ - kjernen, samt cytoplasma, ribosomer, mitokondrier osv. Nukleinsyrer spiller en viktig, primær rolle i arv, variasjon i kroppen og i proteinsyntese.

Plan syntese Proteinet er lagret i cellekjernen, og direkte syntese skjer utenfor kjernen, så det er nødvendig leveransetjeneste kodet plan fra kjernen til syntesestedet. Denne leveringstjenesten utføres av RNA-molekyler.

Prosessen starter kl kjerne celler: en del av DNA-stigen vikler seg ut og åpner seg. Takket være dette danner RNA-bokstavene bindinger med de åpne DNA-bokstavene til en av DNA-trådene. Enzymet overfører RNA-bokstavene for å knytte dem til en tråd. Dette er hvordan bokstavene i DNA blir "omskrevet" til bokstavene til RNA. Den nydannede RNA-kjeden separeres, og DNA-"stigen" vrir seg igjen. Prosessen med å lese informasjon fra DNA og syntetisere den ved hjelp av RNA-matrisen kalles transkripsjon , og det syntetiserte RNA kalles messenger eller mRNA .

Etter ytterligere modifikasjoner er denne typen kodet mRNA klar. mRNA kommer ut av kjernen og går til stedet for proteinsyntese, hvor bokstavene til mRNA dechiffreres. Hvert sett med tre i-RNA-bokstaver danner en "bokstav" som representerer én spesifikk aminosyre.

En annen type RNA finner denne aminosyren, fanger den opp ved hjelp av et enzym og leverer den til stedet for proteinsyntese. Dette RNA kalles overførings-RNA, eller t-RNA. Etter hvert som mRNA-meldingen leses og oversettes, vokser kjeden av aminosyrer. Denne kjeden vrir seg og brettes til en unik form, og skaper én type protein. Selv proteinfoldingsprosessen er bemerkelsesverdig: det krever en datamaskin for å beregne alt alternativerå folde et protein av gjennomsnittlig størrelse bestående av 100 aminosyrer ville ta 1027 (!) år. Og det tar ikke mer enn ett sekund å danne en kjede med 20 aminosyrer i kroppen, og denne prosessen skjer kontinuerlig i alle kroppens celler.

Gener, genetisk kode og dens egenskaper.

Omtrent 7 milliarder mennesker bor på jorden. Bortsett fra de 25-30 millioner parene med eneggede tvillinger, genetisk alle mennesker er forskjellige : alle er unike, har unike arvelige egenskaper, karaktertrekk, evner og temperament.

Disse forskjellene er forklart forskjeller i genotyper- sett med gener fra organismen; Hver og en er unik. De genetiske egenskapene til en bestemt organisme er legemliggjort i proteiner - derfor skiller strukturen til proteinet til en person seg, selv om det er veldig lite, fra proteinet til en annen person.

Det betyr ikke at ikke to personer har nøyaktig de samme proteinene. Proteiner som utfører de samme funksjonene kan være like eller avvike bare litt med en eller to aminosyrer fra hverandre. Men eksisterer ikke på jorden av mennesker (med unntak av eneggede tvillinger) som ville ha alle proteinene sine er det samme .

Protein Primær Strukturinformasjon kodet som en sekvens av nukleotider i en del av et DNA-molekyl, genet – en enhet med arvelig informasjon om en organisme. Hvert DNA-molekyl inneholder mange gener. Helheten av alle genene til en organisme utgjør den genotype . Dermed,

Gen er en enhet av arvelig informasjon om en organisme, som tilsvarer en egen del av DNA

Koding av arvelig informasjon skjer vha genetisk kode , som er universell for alle organismer og skiller seg bare i vekslingen av nukleotider som danner gener og koder for proteiner til spesifikke organismer.

Genetisk kode består av tripletter (tripletter) av DNA-nukleotider, kombinert i ulike sekvenser (AAT, HCA, ACG, THC osv.), som hver koder for en spesifikk aminosyre (som skal bygges inn i polypeptidkjeden).

Faktisk kode teller sekvens av nukleotider i et mRNA-molekyl , fordi den fjerner informasjon fra DNA (prosess transkripsjoner ) og oversetter det til en sekvens av aminosyrer i molekylene til syntetiserte proteiner (prosessen sendinger ).
Sammensetningen av mRNA inkluderer nukleotidene A-C-G-U, hvor tripletter kalles kodoner : en triplett på DNA CGT på i-RNA vil bli en triplett GCA, og en triplett DNA AAG vil bli en triplett UUC. Nøyaktig mRNA-kodoner den genetiske koden gjenspeiles i journalen.

Dermed, genetisk kode - et enhetlig system for registrering av arvelig informasjon i nukleinsyremolekyler i form av en sekvens av nukleotider . Den genetiske koden er basert på bruken av et alfabet bestående av bare fire bokstaver-nukleotider, kjennetegnet ved nitrogenholdige baser: A, T, G, C.

Grunnleggende egenskaper ved den genetiske koden:

1. Genetisk kode trilling. En triplett (kodon) er en sekvens av tre nukleotider som koder for én aminosyre. Siden proteiner inneholder 20 aminosyrer, er det åpenbart at hver av dem ikke kan kodes av ett nukleotid ( Siden det bare er fire typer nukleotider i DNA, forblir i dette tilfellet 16 aminosyrer ukodet). To nukleotider er heller ikke nok til å kode for aminosyrer, siden det i dette tilfellet kun kan kodes for 16 aminosyrer. Dette betyr at det minste antallet nukleotider som koder for én aminosyre, må være minst tre. I dette tilfellet er antallet mulige nukleotidtripletter 43 = 64.

2. Redundans (degenerasjon) Koden er en konsekvens av dens triplettnatur og betyr at én aminosyre kan kodes av flere tripletter (siden det er 20 aminosyrer og 64 tripletter), med unntak av metionin og tryptofan, som bare er kodet av én triplett. I tillegg utfører noen tripletter spesifikke funksjoner: i et mRNA-molekyl er tripletter UAA, UAG, UGA stoppkodoner, dvs. Stoppe-signaler som stopper syntesen av polypeptidkjeden. Tripletten som tilsvarer metionin (AUG), lokalisert i begynnelsen av DNA-kjeden, koder ikke for en aminosyre, men utfører funksjonen å initiere (spennende) lesing.

3. Entydighet kode - samtidig med redundans har kode egenskapen entydighet : hvert kodon samsvarer bare en en viss aminosyre.

4. Kolinearitet kode, dvs. nukleotidsekvens i et gen nøyaktig tilsvarer rekkefølgen av aminosyrer i et protein.

5. Genetisk kode ikke-overlappende og kompakt , dvs. inneholder ikke "tegnsettingstegn". Dette betyr at leseprosessen ikke tillater muligheten for overlappende kolonner (tripletter), og starter ved et bestemt kodon fortsetter lesingen kontinuerlig, triplett etter triplett, til Stoppe-signaler ( stopp kodoner).

6. Genetisk kode universell , dvs. kjernegenene til alle organismer koder for informasjon om proteiner på samme måte, uavhengig av organiseringsnivå og systematisk posisjon til disse organismene.

Eksistere genetiske kodetabeller for dekryptering kodoner mRNA og konstruksjon av kjeder av proteinmolekyler.

Matrisesyntesereaksjoner.

Ukjente reaksjoner i levende systemer forekommer i levende systemer. livløs natur - matrisesyntese reaksjoner.

Begrepet "matrise" innen teknologi utpeker de en form som brukes til å støpe mynter, medaljer og typografiske fonter: det herdede metallet gjengir nøyaktig alle detaljene i formen som brukes til støping. Matrisesyntese ligner støping på en matrise: nye molekyler syntetiseres i nøyaktig samsvar med planen som er lagt i strukturen til eksisterende molekyler.

Matriseprinsippet ligger i kjernen de viktigste syntetiske reaksjonene i cellen, slik som syntesen av nukleinsyrer og proteiner. Disse reaksjonene sikrer den nøyaktige, strengt spesifikke sekvensen av monomerenheter i de syntetiserte polymerene.

Det er retningsbestemt på gang her. sammentrekning av monomerer til bestemt sted celler - til molekyler som fungerer som en matrise der reaksjonen finner sted. Hvis slike reaksjoner skjedde som et resultat av tilfeldige kollisjoner av molekyler, ville de forløpe uendelig sakte. Syntesen av komplekse molekyler basert på malprinsippet utføres raskt og nøyaktig. Rollen til matrisen makromolekyler av nukleinsyrer spiller i matrisereaksjoner DNA eller RNA .

Monomere molekyler hvorfra polymeren er syntetisert - nukleotider eller aminosyrer - i samsvar med komplementaritetsprinsippet, er lokalisert og fiksert på matrisen i en strengt definert, spesifisert rekkefølge.

Så skjer det "kryssbinding" av monomerenheter til en polymerkjede og den ferdige polymeren tømmes fra matrisen.

Etter det matrisen er klar til sammensetningen av et nytt polymermolekyl. Det er klart at akkurat som på en gitt form bare en mynt eller en bokstav kan støpes, så kan bare én polymer "settes sammen" på et gitt matrisemolekyl.

Matrisereaksjonstype- et spesifikt trekk ved kjemien til levende systemer. De er grunnlaget for den grunnleggende egenskapen til alle levende ting - dens evne til å reprodusere sin egen art.

Malsyntesereaksjoner

1. DNA-replikasjon - replikasjon (fra latin replicatio - fornyelse) - prosessen med syntese av et dattermolekyl av deoksyribonukleinsyre på matrisen til det overordnede DNA-molekylet. Under påfølgende deling av modercellen, hver dattercelle mottar én kopi av et DNA-molekyl, som er identisk med DNAet til den opprinnelige modercellen. Denne prosessen sikrer at genetisk informasjon overføres nøyaktig fra generasjon til generasjon. DNA-replikasjon utføres av et komplekst enzymkompleks bestående av 15-20 forskjellige proteiner, kalt replisome . Materialet for syntese er frie nukleotider som er tilstede i cytoplasmaet til cellene. Den biologiske betydningen av replikasjon ligger i nøyaktig overføring av arvelig informasjon fra modermolekylet til dattermolekylene, som normalt oppstår under delingen av somatiske celler.

Et DNA-molekyl består av to komplementære tråder. Disse kjedene holdes svake hydrogenbindinger, i stand til å bryte under påvirkning av enzymer. DNA-molekylet er i stand til selvduplikasjon (replikasjon), og på hver gamle halvdel av molekylet syntetiseres en ny halvdel.
I tillegg kan et mRNA-molekyl syntetiseres på et DNA-molekyl, som deretter overfører informasjonen som mottas fra DNA til stedet for proteinsyntese.

Informasjonsoverføring og proteinsyntese foregår i henhold til matriseprinsippet, sammenlignbart med arbeidet trykkpresse i trykkeriet. Informasjon fra DNA kopieres mange ganger. Hvis det oppstår feil under kopieringen, vil de gjentas i alle etterfølgende kopier.

Det er sant at noen feil ved kopiering av informasjon med et DNA-molekyl kan korrigeres - prosessen med å eliminere feil kalles reparasjon. Den første av reaksjonene i prosessen med informasjonsoverføring er replikasjonen av DNA-molekylet og syntesen av nye DNA-kjeder.

2. Transkripsjon (fra latin transcriptio - omskriving) - prosessen med RNA-syntese ved bruk av DNA som mal, som forekommer i alle levende celler. Det er med andre ord overføring av genetisk informasjon fra DNA til RNA.

Transkripsjon katalyseres av enzymet DNA-avhengig RNA-polymerase. RNA-polymerase beveger seg langs DNA-molekylet i retning 3" → 5". Transkripsjon består av stadier initiering, forlengelse og avslutning . Enheten for transkripsjon er et operon, et fragment av et DNA-molekyl som består av promoter, transkribert del og terminator . mRNA består av en enkeltkjede og syntetiseres på DNA i samsvar med komplementaritetsregelen med deltagelse av et enzym som aktiverer begynnelsen og slutten av syntesen av mRNA-molekylet.

Det ferdige mRNA-molekylet går inn i cytoplasmaet på ribosomer, hvor syntesen av polypeptidkjeder skjer.

3. Kringkaste (fra lat. oversettelse- overføring, bevegelse) - prosessen med proteinsyntese fra aminosyrer på en matrise av informasjon (messenger) RNA (mRNA, mRNA), utført av ribosomet. Med andre ord, dette er prosessen med å oversette informasjonen i sekvensen av nukleotider av mRNA til sekvensen av aminosyrer i polypeptidet.

4. Omvendt transkripsjon er prosessen med dannelse av dobbelttrådet DNA basert på informasjon fra enkelttrådet RNA. Denne prosessen kalles omvendt transkripsjon, siden overføringen av genetisk informasjon skjer i "omvendt" retning i forhold til transkripsjon. Ideen om omvendt transkripsjon var i utgangspunktet veldig upopulær fordi den var i strid med molekylærbiologiens sentrale dogme, som antok at DNA blir transkribert til RNA og deretter oversatt til proteiner.

Men i 1970 oppdaget Temin og Baltimore uavhengig av hverandre et enzym kalt revers transkriptase (revertase) , og muligheten for omvendt transkripsjon ble endelig bekreftet. I 1975 ble Temin og Baltimore tildelt Nobel pris innen fysiologi og medisin. Noen virus (som humant immunsviktvirus, som forårsaker HIV-infeksjon) har evnen til å transkribere RNA til DNA. HIV har et RNA-genom som er integrert i DNA. Som et resultat kan virusets DNA kombineres med vertscellens genom. Hovedenzymet som er ansvarlig for syntesen av DNA fra RNA kalles reversering. En av funksjonene til reversease er å skape komplementært DNA (cDNA) fra det virale genomet. Det assosierte enzymet ribonuklease spalter RNA, og reversease syntetiserer cDNA fra DNA-dobbelhelixen. cDNA er integrert i vertscellegenomet ved integrase. Resultatet er syntese av virale proteiner av vertscellen, som danner nye virus. Ved HIV programmeres også apoptose (celledød) av T-lymfocytter. I andre tilfeller kan cellen forbli en distributør av virus.

Sekvensen av matrisereaksjoner under proteinbiosyntese kan representeres i form av et diagram.

Dermed, proteinbiosyntese– dette er en av typene plastbytte, hvorunder arvelig informasjon, kodet i DNA-gener, implementeres i en spesifikk sekvens av aminosyrer i proteinmolekyler.

Proteinmolekyler er i hovedsak polypeptidkjeder består av individuelle aminosyrer. Men aminosyrer er ikke aktive nok til å kombineres med hverandre på egen hånd. Derfor, før de kombineres med hverandre og danner et proteinmolekyl, må aminosyrer aktivere . Denne aktiveringen skjer under påvirkning av spesielle enzymer.

Som et resultat av aktivering blir aminosyren mer labil og, under påvirkning av det samme enzymet, binder seg til t- RNA. Hver aminosyre tilsvarer en strengt spesifikk t- RNA, som finner "sin" aminosyre og overføringer det inn i ribosomet.

Følgelig ulike aktiverte aminosyrer kombinert med sine egne T- RNA. Ribosomet er som transportbåndå sette sammen en proteinkjede fra ulike aminosyrer som tilføres den.

Samtidig med t-RNA, hvor dens egen aminosyre "sitter", " signal"fra DNA som er inneholdt i kjernen. I samsvar med dette signalet syntetiseres et eller annet protein i ribosomet.

Den styrende påvirkningen av DNA på proteinsyntesen utføres ikke direkte, men ved hjelp av et spesielt mellomledd - matrise eller messenger RNA (m-RNA eller mRNA), hvilken syntetisert inn i kjernen e under påvirkning av DNA, så sammensetningen reflekterer sammensetningen av DNA. RNA-molekylet er som en avstøpning av DNA-formen. Det syntetiserte mRNA går inn i ribosomet og overfører det så å si til denne strukturen plan- i hvilken rekkefølge må de aktiverte aminosyrene som kommer inn i ribosomet kombineres med hverandre for at et spesifikt protein skal syntetiseres? Ellers, genetisk informasjon kodet i DNA overføres til mRNA og deretter til protein.

mRNA-molekylet går inn i ribosomet og sting henne. Den delen av den som er med dette øyeblikket i ribosomet, definert kodon (triplett), samhandler på en helt spesifikk måte med de som er strukturelt lik den triplett (antikodon) i overførings-RNA, som brakte aminosyren inn i ribosomet.

Overførings-RNA med aminosyren samsvarer med et spesifikt kodon av mRNA og kobler til med ham; til neste, naboseksjon av mRNA et annet tRNA med en annen aminosyre tilsettes og så videre til hele kjeden av i-RNA er lest, til alle aminosyrene er redusert i riktig rekkefølge, og danner et proteinmolekyl. Og tRNA, som leverte aminosyren til en spesifikk del av polypeptidkjeden, frigjort fra sin aminosyre og går ut av ribosomet.

Så, igjen i cytoplasmaet, kan den ønskede aminosyren slutte seg til den og igjen overføre den til ribosomet. I prosessen med proteinsyntese er ikke en, men flere ribosomer - polyribosomer - involvert samtidig.

Hovedstadiene i overføringen av genetisk informasjon:

1. Syntese på DNA som mal for mRNA (transkripsjon)
2. Syntese av en polypeptidkjede i ribosomer i henhold til programmet inneholdt i mRNA (translasjon) .

Stadiene er universelle for alle levende vesener, men de tidsmessige og romlige forholdene til disse prosessene er forskjellige i pro- og eukaryoter.

U prokaryot transkripsjon og translasjon kan skje samtidig fordi DNA er lokalisert i cytoplasmaet. U eukaryoter transkripsjon og translasjon er strengt adskilt i rom og tid: syntesen av ulike RNA-er skjer i kjernen, hvoretter RNA-molekylene må forlate kjernen ved å passere gjennom kjernemembranen. RNA-ene blir deretter transportert i cytoplasmaet til stedet for proteinsyntese.

I enhver celle og organisme bestemmes alle anatomiske, morfologiske og funksjonelle egenskaper av strukturen til proteinene som utgjør dem. Arvelig eiendom Kroppen er i stand til å syntetisere visse proteiner. Aminosyrer er lokalisert i en polypeptidkjede, som biologiske egenskaper avhenger av.
Hver celle har sin egen sekvens av nukleotider i polynukleotidkjeden av DNA. Dette er den genetiske koden til DNA. Gjennom den registreres informasjon om syntesen av visse proteiner. Denne artikkelen beskriver hva den genetiske koden er, dens egenskaper og genetisk informasjon.

Litt historie

Ideen om at det kan være en genetisk kode ble formulert av J. Gamow og A. Down på midten av det tjuende århundre. De beskrev at nukleotidsekvensen som er ansvarlig for syntesen av en bestemt aminosyre inneholder minst tre enheter. Senere beviste de det nøyaktige antallet av tre nukleotider (dette er en enhet av genetisk kode), som ble kalt en triplett eller kodon. Det er sekstifire nukleotider totalt, fordi syremolekylet der RNA forekommer er bygd opp av fire forskjellige nukleotidrester.

Hva er genetisk kode

Metoden for å kode sekvensen av aminosyreproteiner på grunn av sekvensen av nukleotider er karakteristisk for alle levende celler og organismer. Dette er hva den genetiske koden er.
Det er fire nukleotider i DNA:

• adenin - A;
• guanin - G;
• cytosin - C;
• tymin - T.

De er merket med store latinske eller (i russiskspråklig litteratur) russiske bokstaver.
RNA inneholder også fire nukleotider, men ett av dem er forskjellig fra DNA:

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

Alle nukleotider er ordnet i kjeder, med DNA som har en dobbel helix og RNA har en enkelt helix.
Proteiner er bygget på tjue aminosyrer, hvor de, lokalisert i en bestemt sekvens, bestemmer dens biologiske egenskaper.

Egenskaper til den genetiske koden

Trippelitet. En enhet med genetisk kode består av tre bokstaver, det er triplett. Dette betyr at de tjue aminosyrene som finnes er kodet av tre spesifikke nukleotider kalt kodoner eller trilpetter. Det er sekstifire kombinasjoner som kan lages fra fire nukleotider. Denne mengden er mer enn nok til å kode for tjue aminosyrer.
Degenerasjon. Hver aminosyre tilsvarer mer enn ett kodon, med unntak av metionin og tryptofan.
Entydighet. Ett kodon koder for én aminosyre. For eksempel i genet sunn person med informasjon om beta-målet til hemoglobin, tripletten av GAG og GAA koder for A hos alle med sigdcellesykdom, endres ett nukleotid.
Kolinearitet. Sekvensen av aminosyrer tilsvarer alltid sekvensen av nukleotider som genet inneholder.
Den genetiske koden er kontinuerlig og kompakt, noe som betyr at den ikke har noen skilletegn. Det vil si at starter ved et visst kodon, skjer kontinuerlig avlesning. For eksempel vil AUGGGUGTSUUAAUGUG leses som: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Men ikke AUG, UGG og så videre eller noe annet.
Allsidighet. Det er likt for absolutt alle landlevende organismer, fra mennesker til fisk, sopp og bakterier.

Bord

Ikke alle tilgjengelige aminosyrer er inkludert i tabellen presentert. Hydroksyprolin, hydroksylysin, fosfoserin, jodderivater av tyrosin, cystin og noen andre er fraværende, siden de er derivater av andre aminosyrer kodet av m-RNA og dannet etter modifisering av proteiner som et resultat av translasjon.
Fra egenskapene til den genetiske koden er det kjent at ett kodon er i stand til å kode for en aminosyre. Unntaket er utøveren tilleggsfunksjoner og koder for valin og metionin, den genetiske koden. mRNA, som er i begynnelsen av kodonet, fester t-RNA, som bærer formylmetion. Etter fullføring av syntesen spaltes den av og tar formylresten med seg, og transformeres til en metioninrest. Således er de ovennevnte kodonene initiatorene for syntesen av polypeptidkjeden. Hvis de ikke er i begynnelsen, er de ikke annerledes enn de andre.

Genetisk informasjon

Dette konseptet betyr et program med egenskaper som er videreført fra forfedre. Det er innebygd i arv som en genetisk kode.
Den genetiske koden realiseres under proteinsyntese:

• messenger RNA;
• ribosomalt rRNA.

Informasjon overføres gjennom direkte kommunikasjon (DNA-RNA-protein) og omvendt kommunikasjon (medium-protein-DNA).
Organismer kan motta, lagre, overføre det og bruke det mest effektivt.
Overført ved arv bestemmer informasjon utviklingen av en bestemt organisme. Men på grunn av samhandling med miljø sistnevntes reaksjon er forvrengt, på grunn av hvilken evolusjon og utvikling skjer. På denne måten blir ny informasjon introdusert i kroppen.

Beregningen av molekylærbiologiens lover og oppdagelsen av den genetiske koden illustrerte behovet for å kombinere genetikk med Darwins teori, på grunnlag av hvilken en syntetisk evolusjonsteori dukket opp - ikke-klassisk biologi.
Darwins arv, variasjon og naturlige seleksjon kompletteres av genetisk bestemt seleksjon. Evolusjon realiseres på genetisk nivå gjennom tilfeldige mutasjoner og arv av de mest verdifulle egenskapene som er mest tilpasset miljøet.

Dekoding av den menneskelige koden

På nittitallet ble Human Genome Project lansert, som et resultat av at genomfragmenter som inneholdt 99,99 % av menneskelige gener ble oppdaget i to tusendeler. Fragmenter som ikke er involvert i proteinsyntese og ikke er kodet forblir ukjente. Rollen deres er foreløpig ukjent.

Sist oppdaget i 2006, er kromosom 1 det lengste i genomet. Mer enn tre hundre og femti sykdommer, inkludert kreft, vises som et resultat av lidelser og mutasjoner i den.

Rollen til slike studier kan ikke overvurderes. Da de oppdaget hva den genetiske koden er, ble det kjent i henhold til hvilke mønstre utviklingen skjer, hvordan den morfologiske strukturen, psyken, disposisjon for visse sykdommer, metabolisme og defekter hos individer dannes.