Den genetiske koden leses kontinuerlig. Genetisk kode: beskrivelse, egenskaper, forskningens historie

Etter å ha jobbet gjennom disse emnene, bør du kunne:

Beskriv konseptene nedenfor og forklar sammenhengene mellom dem:
- polymer, monomer;
- karbohydrat, monosakkarid, disakkarid, polysakkarid;
- lipid, fettsyre, glyserol;
- aminosyre, peptidbinding, protein;
- katalysator, enzym, aktivt sted;
- nukleinsyre, nukleotid.
Nevn 5-6 grunner som gjør vann til en så viktig komponent i levende systemer.
Nevn de fire hovedklassene organiske forbindelser inneholdt i levende organismer; beskriv rollen til hver av dem.
Forklar hvorfor enzymkontrollerte reaksjoner avhenger av temperatur, pH og tilstedeværelse av koenzymer.
Forklar rollen til ATP i energiøkonomien til cellen.
Nevn utgangsmaterialer, hovedtrinn og sluttprodukter av lysinduserte reaksjoner og karbonfikseringsreaksjoner.
Gi Kort beskrivelse generelt skjema for cellulær respirasjon, hvorfra det ville være klart hvor reaksjonene av glykolyse, G. Krebs-syklusen (syklus) sitronsyre) og elektrontransportkjede.
Sammenlign respirasjon og gjæring.
Beskriv strukturen til DNA-molekylet og forklar hvorfor antall adeninrester er lik antall tyminrester, og antall guaninrester er lik antall cytosinrester.
Skriv kort diagram syntese av RNA til DNA (transkripsjon) i prokaryoter.
Beskriv egenskaper genetisk kode og forklar hvorfor det skal være en trilling.
Basert på den gitte DNA-kjeden og kodontabellen, bestemme den komplementære sekvensen til messenger-RNA, angi kodonene til overførings-RNA og aminosyresekvensen som dannes som et resultat av translasjon.
List opp stadiene av proteinsyntese på ribosomnivå.

Algoritme for å løse problemer.

Type 1. Selvkopiering av DNA.

En av DNA-kjedene har følgende nukleotidsekvens:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Hvilken nukleotidsekvens har den andre kjeden av samme molekyl?

For å skrive nukleotidsekvensen til den andre tråden av et DNA-molekyl, når sekvensen til den første tråden er kjent, er det nok å erstatte tymin med adenin, adenin med tymin, guanin med cytosin og cytosin med guanin. Etter å ha gjort denne erstatningen, får vi sekvensen:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

Type 2. Proteinkoding.

Kjeden av aminosyrer til ribonukleaseproteinet har følgende begynnelse: lysin-glutamin-treonin-alanin-alanin-alanin-lysin...
Hvilken nukleotidsekvens begynner genet som tilsvarer dette proteinet med?

For å gjøre dette, bruk den genetiske kodetabellen. For hver aminosyre finner vi dens kodebetegnelse i form av den tilsvarende trippelen av nukleotider og skriver den ned. Ved å arrangere disse trillingene etter hverandre i samme rekkefølge som de tilsvarende aminosyrene, får vi formelen for strukturen til en del av budbringer-RNA. Som regel er det flere slike trillinger, valget tas i henhold til din avgjørelse (men bare en av trillingene blir tatt). Følgelig kan det være flere løsninger.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Hvilken sekvens av aminosyrer begynner et protein med hvis det er kodet av følgende sekvens av nukleotider:
ACGGCCATGGCCGGT...

Ved å bruke komplementaritetsprinsippet finner vi strukturen til en del av messenger-RNA dannet på et gitt segment av et DNA-molekyl:
UGGGGGUACGGGGCA...

Deretter går vi til tabellen med den genetiske koden og for hver trippel av nukleotider, fra den første, finner vi og skriver ut den tilsvarende aminosyren:
Cystein-glycin-tyrosin-arginin-prolin-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. " Generell biologi". Moskva, "Enlightenment", 2000

Emne 4." Kjemisk oppbygning celler.» §2-§7 s. 7-21
Emne 5. "Fotosyntese." §16-17 s. 44-48
Emne 6. "Cellulær respirasjon." §12-13 s. 34-38
Emne 7. "Genetisk informasjon." §14-15 s. 39-44

Den genetiske koden er en spesiell kryptering arvelig informasjon ved hjelp av molekyler Basert på dette kontrollerer gener på en passende måte syntesen av proteiner og enzymer i kroppen, og bestemmer derved metabolismen. På sin side bestemmes strukturen til individuelle proteiner og deres funksjoner av plasseringen og sammensetningen av aminosyrer - de strukturelle enhetene til proteinmolekylet.

I midten av forrige århundre ble det identifisert gener som er separate seksjoner (forkortet som DNA). Nukleotidenhetene danner en karakteristisk dobbelkjede, satt sammen i form av en helix.

Forskere har funnet en sammenheng mellom gener og den kjemiske strukturen til individuelle proteiner, hvis essens er at den strukturelle rekkefølgen av aminosyrer i proteinmolekyler tilsvarer rekkefølgen av nukleotider i genet. Etter å ha etablert denne forbindelsen, bestemte forskerne seg for å dechiffrere den genetiske koden, dvs. etablere lover for samsvar mellom strukturelle rekkefølger av nukleotider i DNA og aminosyrer i proteiner.

Det er bare fire typer nukleotider:

1) A-adenyl;

2) G-guanyl;

3) T - tymidyl;

4) C-cytidyl.

Proteiner inneholder tjue typer grunnleggende aminosyrer. Det oppsto vanskeligheter med å tyde den genetiske koden, siden det er mye færre nukleotider enn aminosyrer. For å løse dette problemet ble det foreslått at aminosyrer kodes av forskjellige kombinasjoner av tre nukleotider (kalt et kodon eller triplett).

I tillegg var det nødvendig å forklare nøyaktig hvordan trillinger er lokalisert langs genet. Dermed oppsto tre hovedgrupper av teorier:

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

2) trillinger er arrangert med vekslende «meningsløse» seksjoner, dvs. såkalte "kommaer" og "avsnitt" er dannet i koden;

3) trillinger kan overlappe, dvs. slutten av den første tripletten kan danne begynnelsen på den neste.

For tiden brukes hovedsakelig teorien om kodekontinuitet.

Genetisk kode og dens egenskaper

1) Koden er triplett – den består av vilkårlige kombinasjoner av tre nukleotider som danner kodoner.

2) Den genetiske koden er overflødig - dens trillinger. En aminosyre kan kodes av flere kodoner, siden det ifølge matematiske beregninger er tre ganger flere kodoner enn aminosyrer. Noen kodoner utfører spesifikke termineringsfunksjoner: noen kan være "stoppsignaler" som programmerer slutten av produksjonen av en aminosyrekjede, mens andre kan indikere initiering av kodelesing.

3) Den genetiske koden er entydig – hvert kodon kan tilsvare kun én aminosyre.

4) Den genetiske koden er kollineær, dvs. nukleotidsekvensen og aminosyresekvensen samsvarer klart med hverandre.

5) Koden skrives kontinuerlig og kompakt det er ingen "meningsløse" nukleotider i den. Den begynner med en spesifikk triplett, som erstattes av den neste uten pause og slutter med et stoppkodon.

6) Den genetiske koden er universell - genene til enhver organisme koder for informasjon om proteiner på nøyaktig samme måte. Dette avhenger ikke av kompleksitetsnivået til organiseringen av organismen eller dens systemiske posisjon.

Moderne vitenskap antyder at den genetiske koden oppstår direkte under genereringen av en ny organisme fra benstoff. Tilfeldige endringer og evolusjonære prosesser gjør alle kodevarianter mulig, dvs. aminosyrer kan omorganiseres i hvilken som helst rekkefølge. Hvorfor overlevde denne spesielle typen kode under evolusjonen, hvorfor er koden universell og har en lignende struktur? Jo mer vitenskapen lærer om fenomenet den genetiske koden, jo flere nye mysterier oppstår.

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. Om hva den genetiske koden er, om dens egenskaper og genetisk informasjon er omtalt i denne artikkelen.

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 AUGGGUGTSUAUAUGUG 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.

Beregningsmønstre molekylbiologi 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 neppe 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.

GENETISK KODE, en måte å registrere arvelig informasjon i molekyler nukleinsyrer i form av en sekvens av nukleotider som danner disse syrene. En viss sekvens av nukleotider i DNA og RNA tilsvarer en viss sekvens av aminosyrer i polypeptidkjedene til proteiner. Det er vanlig å skrive koden med store bokstaver i det russiske eller latinske alfabetet. Hvert nukleotid er betegnet med bokstaven som navnet på den nitrogenholdige basen som er inkludert i molekylet begynner: A (A) - adenin, G (G) - guanin, C (C) - cytosin, T (T) - tymin; i RNA, i stedet for tymin, er uracil U (U). Hver er kodet av en kombinasjon av tre nukleotider - en triplett eller kodon. Kort fortalt er veien for overføring av genetisk informasjon oppsummert i den såkalte. Det sentrale dogmet for molekylærbiologi: DNA 'RNA f-protein.

I spesielle tilfeller informasjon kan overføres fra RNA til DNA, men aldri fra proteiner til gener.

Implementeringen av genetisk informasjon utføres i to trinn. I cellekjernen, informasjons- eller matrisen, syntetiseres RNA (transkripsjon) på DNA. I dette tilfellet blir DNA-nukleotidsekvensen "omskrevet" (omkodet) til mRNA-nukleotidsekvensen. Deretter går mRNA inn i cytoplasmaet, fester seg til ribosomet, og på det, som på en matrise, syntetiseres polypeptidkjeden til proteinet (translasjon). Aminosyrer festes til kjeden under konstruksjon ved bruk av overførings-RNA i en sekvens bestemt av rekkefølgen av nukleotider i mRNA.

Fra fire "bokstaver" kan du lage 64 forskjellige trebokstavs "ord" (kodoner). Av de 64 kodonene koder 61 for spesifikke aminosyrer, og tre er ansvarlige for å fullføre syntesen av polypeptidkjeden. Siden det er 61 kodoner per 20 aminosyrer som utgjør proteiner, er noen aminosyrer kodet av mer enn ett kodon (såkalt kodedegenerasjon). Denne redundansen øker påliteligheten til koden og hele mekanismen for proteinbiosyntese. En annen egenskap ved koden er dens spesifisitet (utvetydighet): ett kodon koder bare for én aminosyre.

I tillegg overlapper ikke koden - informasjon leses i én retning sekvensielt, triplett for triplett. Mest fantastisk eiendom kode - dens universalitet: den er den samme i alle levende vesener - fra bakterier til mennesker (med unntak av den genetiske koden til mitokondrier). Forskere ser dette som en bekreftelse på konseptet om at alle organismer stammer fra én felles stamfar.

Dekoding av den genetiske koden, det vil si å bestemme "betydningen" av hvert kodon og reglene for avlesning av informasjon, ble utført i 1961–1965. og regnes som en av de mest slående prestasjonene innen molekylærbiologi.

Den genetiske koden forstås vanligvis som et system av tegn som indikerer det sekvensielle arrangementet av nukleotidforbindelser i DNA og RNA, som tilsvarer en annen skiltsystem, som viser sekvensen av aminosyreforbindelser i et proteinmolekyl.

Det er viktig!

Da forskere klarte å studere egenskapene til den genetiske koden, ble universalitet anerkjent som en av de viktigste. Ja, hvor rart det enn høres ut, er alt forent av én, universell, felles genetisk kode. Den ble dannet over lang tid, og prosessen ble avsluttet for rundt 3,5 milliarder år siden. Følgelig kan spor av dens utvikling spores i strukturen til koden, fra dens begynnelse til i dag.

Når vi snakker om sekvensen av arrangement av elementer i den genetiske koden, mener vi at den er langt fra kaotisk, men strengt tatt en viss rekkefølge. Og dette bestemmer også i stor grad egenskapene til den genetiske koden. Dette tilsvarer arrangementet av bokstaver og stavelser i ord. Når vi bryter den vanlige rekkefølgen, vil det meste av det vi leser på sidene i bøker eller aviser bli til latterlig gobbledygook.

Grunnleggende egenskaper ved den genetiske koden

Vanligvis inneholder koden noe informasjon kryptert på en spesiell måte. For å tyde koden må du vite det særegne trekk.

Så hovedegenskapene til den genetiske koden er:

triplicity;
degenerasjon eller redundans;
entydighet;
kontinuitet;
allsidigheten som allerede er nevnt ovenfor.

La oss se nærmere på hver eiendom.

1. Trippel

Dette er når tre nukleotidforbindelser danner en sekvensiell kjede i et molekyl (dvs. DNA eller RNA). Som et resultat dannes en triplettforbindelse eller koder for en av aminosyrene, dens plassering i peptidkjeden.

Kodoner (de er også kodeord!) kjennetegnes ved deres sekvens av forbindelser og av typen av de nitrogenholdige forbindelsene (nukleotidene) som er en del av dem.

I genetikk er det vanlig å skille 64 kodontyper. De kan danne kombinasjoner av fire typer 3 nukleotider hver. Dette tilsvarer å heve tallet 4 til tredje potens. Dermed er dannelsen av 64 nukleotidkombinasjoner mulig.

2. Redundans av den genetiske koden

Denne egenskapen observeres når flere kodoner kreves for å kryptere én aminosyre, vanligvis i området 2-6. Og bare tryptofan kan kodes med en triplett.

3. Entydighet

Det er inkludert i egenskapene til den genetiske koden som en indikator på sunn genetisk arv. For eksempel kan GAA-tripletten, som ligger på sjetteplass i kjeden, fortelle legene om blodets gode tilstand, om normalt hemoglobin. Det er han som bærer informasjon om hemoglobin, og det er også kodet av det. Og hvis en person har anemi, erstattes en av nukleotidene med en annen bokstav i koden - U, som er et signal om sykdommen.

4. Kontinuitet

Når du registrerer denne egenskapen til den genetiske koden, bør det huskes at kodoner, som lenker i en kjede, ikke befinner seg på avstand, men i umiddelbar nærhet, den ene etter den andre i nukleinsyrekjeden, og denne kjeden er ikke avbrutt - den har ingen begynnelse eller slutt.

5. Allsidighet

Vi bør aldri glemme at alt på jorden er forent av en felles genetisk kode. Og derfor, hos primater og mennesker, hos insekter og fugler, i et hundre år gammelt baobabtre og i et gresstrå som knapt kommer opp fra bakken, koder lignende trillinger for lignende aminosyrer.

Det er i gener den grunnleggende informasjonen om egenskapene til en bestemt organisme finnes, et slags program som organismen arver fra de som levde tidligere og som eksisterer som en genetisk kode.