Genetischer Code und seine Eigenschaften Biologie. Genetischer Code als Möglichkeit, Erbinformationen aufzuzeichnen

Sie reihen sich in Ketten aneinander und erzeugen so Sequenzen genetischer Buchstaben.

Genetischer Code

Die Proteine ​​fast aller lebenden Organismen bestehen aus nur 20 Arten von Aminosäuren. Diese Aminosäuren werden als kanonisch bezeichnet. Jedes Protein ist eine Kette oder mehrere Ketten von Aminosäuren, die in einer genau definierten Reihenfolge verbunden sind. Diese Sequenz bestimmt die Struktur des Proteins und damit alle seine biologischen Eigenschaften.

CUU (Leu/L)Leucin
CUC (Leu/L)Leucin
CUA (Leu/L)Leucin
CUG (Leu/L)Leucin

In einigen Proteinen werden nicht standardmäßige Aminosäuren wie Selenocystein und Pyrrolysin durch ein Ribosom eingefügt, das das Stoppcodon liest, abhängig von den Sequenzen in der mRNA. Selenocystein gilt heute als die 21. und Pyrrolysin als die 22. Aminosäure, aus der Proteine ​​bestehen.

Trotz dieser Ausnahmen haben alle lebenden Organismen gemeinsame genetische Codes: Ein Codon besteht aus drei Nukleotiden, wobei die ersten beiden entscheidend sind; Codons werden von tRNA und Ribosomen in eine Aminosäuresequenz übersetzt.

Ideengeschichte zum genetischen Code

In den frühen 60er Jahren des 20. Jahrhunderts offenbarten jedoch neue Daten die Inkonsistenz der Hypothese vom „Code ohne Kommas“. Dann zeigten Experimente, dass Codons, die Crick für bedeutungslos hielt, in vitro eine Proteinsynthese auslösen konnten, und 1965 war die Bedeutung aller 64 Tripletts geklärt. Es stellte sich heraus, dass einige Codons einfach redundant sind, das heißt, eine ganze Reihe von Aminosäuren wird von zwei, vier oder sogar sechs Tripletts kodiert.

siehe auch

Anmerkungen

1. Der genetische Code unterstützt die gezielte Insertion von zwei Aminosäuren durch ein Codon. Turanov AA, Lobanov AV, Fomenko DE, Morrison HG, Sogin ML, Klobutcher LA, Hatfield DL, Gladyshev VN. Wissenschaft. 9. Januar 2009;323(5911):259-61.
2. Das AUG-Codon kodiert für Methionin, dient aber gleichzeitig als Startcodon – die Translation beginnt normalerweise mit dem ersten AUG-Codon der mRNA.
3. NCBI: „The Genetic Codes“, zusammengestellt von Andrzej (Anjay) Elzanowski und Jim Ostell
4. Jukes TH, Osawa S, Der genetische Code in Mitochondrien und Chloroplasten., Erfahrung. 1990 1. Dez.;46(11-12):1117-26.
5. Osawa S, Jukes TH, Watanabe K, Muto A (März 1992). „Neueste Beweise für die Evolution des genetischen Codes.“ Mikrobiol. Rev. 56 (1): 229–64. PMID 1579111.
6. SANGER F. (1952). „Die Anordnung von Aminosäuren in Proteinen.“ Adv Protein Chem. 7 : 1-67. PMID 14933251.
7. M. Ichas Biologischer Code. - Welt, 1971.
8. WATSON JD, CRICK FH. (April 1953). „Molekulare Struktur von Nukleinsäuren; eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure.“ Natur 171 : 737-738. PMID 13054692.
9. WATSON JD, CRICK FH. (Mai 1953). „Genetische Implikationen der Struktur von Desoxyribonukleinsäure.“ Natur 171 : 964-967. PMID 13063483.
10. Crick FH. (April 1966). „Der genetische Code – gestern, heute und morgen.“ Cold Spring Harb Symp Quant Biol.: 1-9. PMID 5237190.
11. G. GAMOW (Februar 1954). „Möglicher Zusammenhang zwischen Desoxyribonukleinsäure und Proteinstrukturen.“ Natur 173 : 318. DOI:10.1038/173318a0. PMID 13882203.
12. GAMOW G, RICH A, YCAS M. (1956). „Das Problem der Informationsübertragung von den Nukleinsäuren auf Proteine.“ Adv. Biol. Med. Phys. 4 : 23-68. PMID 13354508.
13. Gamow G, Ycas M. (1955). „STATISTISCHE KORRELATION DER PROTEIN- UND RIBONUCLEINSÄUREZUSAMMENSETZUNG. " Proc Natl Acad Sci U S A. 41 : 1011-1019. PMID 16589789.
14. Crick FH, Griffith JS, Orgel LE. (1957). „CODES OHNE KOMMAS. " Proc Natl Acad Sci U S A. 43 : 416-421. PMID 16590032.
15. Hayes B. (1998). „Die Erfindung des genetischen Codes.“ (PDF-Nachdruck). Amerikanischer Wissenschaftler 86 : 8-14.

Literatur

• Azimov A. Genetischer Code. Von der Evolutionstheorie bis zur Entschlüsselung der DNA. - M.: Tsentrpoligraf, 2006. - 208 S. - ISBN 5-9524-2230-6.
• Ratner V. A. Genetischer Code als System – Soros Educational Journal, 2000, 6, Nr. 3, S. 17–22.
• Crick FH, Barnett L, Brenner S, Watts-Tobin RJ. Allgemeine Natur des genetischen Codes für Proteine ​​– Nature, 1961 (192), S. 1227-32

Links

• Genetischer Code- Artikel aus der Großen Sowjetischen Enzyklopädie

Wikimedia-Stiftung. 2010.

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

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

Der genetische Code hat mehrere Eigenschaften.

Dreiheit.

Entartung oder Redundanz.

Eindeutigkeit.

Polarität.

Nicht überlappend.

Kompaktheit.

Vielseitigkeit.

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

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

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

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

Tabelle 1.

Messenger-RNA-Codons und entsprechende Aminosäuren

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

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

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

B. Entartung oder Redundanz.

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

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

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

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

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

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

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

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

V. Eindeutigkeit.

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

Eindeutig

Aminosäure-Codon

Degenerieren

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

G. Polarität

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

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

d. Nicht überlappend.

Der Code kann überlappend oder nicht überlappend sein. Die meisten Organismen haben einen nicht überlappenden Code. In einigen Phagen wird überlappender Code gefunden.

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

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

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

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

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

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

GZUGZUG GZUGZUG GZUGZUG

AGB AGB AGB UGC AGB AGB AGB UGC AGB AGB AGB

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

Alanin - Alanin Ala - Cis - Ley Ala - Ley - Ley - Ala - Ley

A B C

Nicht überlappender Code. Überlappender Code

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

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

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

e. Kompaktheit.

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

Und. Vielseitigkeit.

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

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

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

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

Wenn es notwendig ist, Proteine ​​​​zu synthetisieren, entsteht vor der Zelle ein ernstes Problem: Informationen in der DNA werden in Form einer kodierten Sequenz gespeichert 4 Zeichen(Nukleotide) und Proteine ​​bestehen aus 20 verschiedene Symbole(Aminosäuren). Wenn Sie versuchen, alle vier Symbole gleichzeitig zur Kodierung von Aminosäuren zu verwenden, erhalten Sie nur 16 Kombinationen, während es 20 proteinogene Aminosäuren gibt. Es gibt nicht genug...

Es gibt ein Beispiel für brillantes Denken zu diesem Thema:

"Nehmen wir zum Beispiel ein Spielkartenspiel, bei dem wir nur auf die Farbe der Karte achten. Wie viele Drillinge derselben Art können Sie bekommen? Natürlich vier: Herz-Drei, Karo-Drei, Pik-Drei und Kreuz-Drei. Wie viele Drillinge gibt es mit zwei Karten derselben Farbe und einer Karte einer anderen Farbe? Nehmen wir an, wir haben vier Möglichkeiten für die dritte Karte. Daher haben wir 4x3 = 12 Möglichkeiten. Darüber hinaus haben wir vier Drillinge mit allen drei verschiedenen Karten. Also 4+12+4=20, und das ist genau die Anzahl an Aminosäuren, die wir haben wollten“ (George Gamow, engl. George Gamow, 1904-1968, sowjetischer und amerikanischer theoretischer Physiker, Astrophysiker und Popularisierer der Wissenschaft) .

Tatsächlich haben Experimente gezeigt, dass es für jede Aminosäure zwei obligatorische Nukleotide und eine dritte Variable gibt, die weniger spezifisch ist („ rockiger Effekt"). Wenn Sie drei von vier Zeichen nehmen, erhalten Sie 64 Kombinationen, was die Anzahl der Aminosäuren bei weitem übersteigt. Somit wird festgestellt, dass jede Aminosäure durch drei Nukleotide kodiert wird. Dieses Trio heißt Codon. Wie bereits erwähnt gibt es 64 Optionen. Drei davon kodieren für keine Aminosäure; das sind die sogenannten „ Nonsense-Codons"(Französisch) Unsinn- Unsinn) oder „Stopp-Codons“.

Genetischer Code

Der genetische (biologische) Code ist eine Möglichkeit, Informationen über die Struktur von Proteinen in Form einer Nukleotidsequenz zu kodieren. Es wurde entwickelt, um die aus vier Zeichen bestehende Sprache der Nukleotide (A, G, U, C) in die aus zwanzig Zeichen bestehende Sprache der Aminosäuren zu übersetzen. Es weist charakteristische Merkmale auf:

• Dreifach– Drei Nukleotide bilden ein Codon, das für eine Aminosäure kodiert. Es gibt insgesamt 61 Sense-Codons.
• Spezifität(oder Eindeutigkeit) – jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure.
• Entartung– Eine Aminosäure kann mehreren Codons entsprechen.
• Vielseitigkeit– Der biologische Code ist für alle Arten von Organismen auf der Erde derselbe (es gibt jedoch Ausnahmen in den Mitochondrien von Säugetieren).
• Kolinearität– Die Reihenfolge der Codons entspricht der Reihenfolge der Aminosäuren im kodierten Protein.
• Nicht überlappend– Drillinge überlappen sich nicht und liegen nebeneinander.
• Keine Interpunktion– Es gibt keine zusätzlichen Nukleotide oder andere Signale zwischen den Tripletts.
• Unidirektionalität– Während der Proteinsynthese werden Codons nacheinander gelesen, ohne zu überspringen oder zurückzugehen.

Es ist jedoch klar, dass sich der biologische Code nicht ohne zusätzliche Moleküle ausdrücken kann, die eine Übergangsfunktion erfüllen oder Adapterfunktion.

Adapterrolle von Transfer-RNAs

Transfer-RNAs sind der einzige Vermittler zwischen der 4-Buchstaben-Nukleinsäuresequenz und der 20-Buchstaben-Proteinsequenz.

Jede Transfer-RNA hat eine spezifische Triplettsequenz in der Anticodon-Schleife ( Anticodon) und kann nur eine Aminosäure anhängen, die zu diesem Anticodon passt. Es ist das Vorhandensein des einen oder anderen Anticodons in der tRNA, das bestimmt, welche Aminosäure in das Proteinmolekül aufgenommen wird, denn Weder das Ribosom noch die mRNA erkennen die Aminosäure.

Auf diese Weise, Adapterrolle der tRNA Ist:

1. bei der spezifischen Bindung an Aminosäuren,
2. insbesondere, je nach Codon-Anticodon-Interaktion, Bindung an mRNA,
3. und damit beim Einbau von Aminosäuren in die Proteinkette entsprechend der Information in der mRNA.

Die Anlagerung einer Aminosäure an die tRNA erfolgt durch ein Enzym Aminoacyl-tRNA-Synthetase, das gleichzeitig für zwei Verbindungen spezifisch ist: eine beliebige Aminosäure und die entsprechende tRNA. Die Reaktion erfordert zwei hochenergetische ATP-Bindungen. Die Aminosäure bindet über ihre α-Carboxylgruppe an das 3"-Ende der tRNA-Akzeptorschleife und es entsteht eine Bindung zwischen der Aminosäure und der tRNA makroergisch. Die α-Aminogruppe bleibt frei.

Aminoacyl-tRNA-Synthesereaktion

Da es etwa 60 verschiedene tRNAs gibt, verfügen einige Aminosäuren über zwei oder mehr tRNAs. Es werden verschiedene tRNAs bezeichnet, die die gleiche Aminosäure hinzufügen Isoakzeptor.

Vorlesung 5. Genetischer Code

Definition des Konzepts

Der genetische Code ist ein System zum Aufzeichnen von Informationen über die Aminosäuresequenz in Proteinen unter Verwendung der Nukleotidsequenz in der DNA.

Da DNA nicht direkt an der Proteinsynthese beteiligt ist, ist der Code in RNA-Sprache geschrieben. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin.

Eigenschaften des genetischen Codes

1. Dreifachheit

Jede Aminosäure wird durch eine Sequenz von 3 Nukleotiden kodiert.

Definition: Ein Triplett oder Codon ist eine Sequenz aus drei Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren.

Der Code kann nicht monoplet sein, da 4 (die Anzahl der verschiedenen Nukleotide in der DNA) weniger als 20 beträgt. Der Code kann nicht dublettig sein, weil 16 (die Anzahl der Kombinationen und Permutationen von 4 Nukleotiden von 2) ist kleiner als 20. Der Code kann ein Triplett sein, weil 64 (die Anzahl der Kombinationen und Permutationen von 4 bis 3) beträgt mehr als 20.

2. Entartung.

Alle Aminosäuren, mit Ausnahme von Methionin und Tryptophan, werden von mehr als einem Triplett kodiert:

2 AK für 1 Triplett = 2.

9 AK, je 2 Drillinge = 18.

1 AK 3 Drillinge = 3.

5 AK von 4 Drillingen = 20.

3 AK von 6 Drillingen = 18.

Insgesamt 61 Tripletts kodieren 20 Aminosäuren.

3. Vorhandensein intergener Satzzeichen.

Definition:

Gen - ein DNA-Abschnitt, der eine Polypeptidkette oder ein Molekül kodiert tRNA, RRNA bzwsRNA.

GenetRNA, rRNA, sRNAProteine ​​sind nicht kodiert.

Am Ende jedes Gens, das ein Polypeptid kodiert, befindet sich mindestens eines von drei Tripletts, die RNA-Stoppcodons oder Stoppsignale kodieren. In mRNA haben sie folgende Form: UAA, UAG, UGA . Sie beenden (beenden) die Übertragung.

Herkömmlicherweise gehört das Codon auch zu den Satzzeichen AUG - die erste nach der Leader-Sequenz. (Siehe Vorlesung 8) Er fungiert als Großbuchstabe. In dieser Position kodiert es Formylmethionin (in Prokaryoten).

4. Eindeutigkeit.

Jedes Triplett kodiert nur eine Aminosäure oder ist ein Translationsterminator.

Die Ausnahme ist das Codon AUG . Bei Prokaryoten kodiert es an der ersten Stelle (Großbuchstabe) für Formylmethionin und an jeder anderen Stelle für Methionin.

5. Kompaktheit oder Fehlen intragener Satzzeichen.
Innerhalb eines Gens ist jedes Nukleotid Teil eines signifikanten Codons.

Im Jahr 1961 bewiesen Seymour Benzer und Francis Crick experimentell die Triplettnatur des Codes und seine Kompaktheit.

Die Essenz des Experiments: „+“-Mutation – Insertion eines Nukleotids. „-“-Mutation – Verlust eines Nukleotids. Eine einzelne „+“- oder „-“-Mutation am Anfang eines Gens zerstört das gesamte Gen. Eine doppelte „+“- oder „-“-Mutation zerstört auch das gesamte Gen.

Eine dreifache „+“- oder „-“-Mutation am Anfang eines Gens zerstört nur einen Teil davon. Eine vierfache „+“- oder „-“-Mutation zerstört wiederum das gesamte Gen.

Das Experiment beweist das Der Code wird transkribiert und es gibt keine Satzzeichen im Gen. Das Experiment wurde an zwei benachbarten Phagengenen durchgeführt und zeigte darüber hinaus Vorhandensein von Satzzeichen zwischen Genen.

6. Vielseitigkeit.

Der genetische Code ist für alle auf der Erde lebenden Lebewesen derselbe.

1979 wurde Burrell eröffnet Ideal Code der menschlichen Mitochondrien.

Definition:

„Ideal“ ist ein genetischer Code, bei dem die Degenerationsregel des Quasi-Dublett-Codes erfüllt ist: Wenn in zwei Tripletts die ersten beiden Nukleotide zusammenfallen und die dritten Nukleotide zur gleichen Klasse gehören (beide sind Purine oder beide sind Pyrimidine) , dann kodieren diese Tripletts für die gleiche Aminosäure.

Im Universalcode gibt es zwei Ausnahmen von dieser Regel. Beide Abweichungen vom idealen Code im Universellen beziehen sich auf grundlegende Punkte: den Beginn und das Ende der Proteinsynthese:

Im Stoffwechsel des Körpers Hauptrolle gehört zu Proteinen und Nukleinsäuren.
Eiweißstoffe bilden die Grundlage aller lebenswichtigen Zellstrukturen, verfügen über eine ungewöhnlich hohe Reaktivität und sind mit katalytischen Funktionen ausgestattet.
Nukleinsäuren sind Teil des wichtigsten Organs der Zelle – des Zellkerns – sowie des Zytoplasmas, der Ribosomen, Mitochondrien usw. Nukleinsäuren spielen eine wichtige, primäre Rolle bei der Vererbung, der Körpervariabilität und der Proteinsynthese.

Planen Synthese Protein wird im Zellkern gespeichert und die direkte Synthese findet außerhalb des Zellkerns statt, daher ist es notwendig Lieferservice codiert planen vom Kern bis zum Ort der Synthese. Dieser Lieferdienst wird von RNA-Molekülen übernommen.

Der Prozess beginnt um Kern Zellen: Ein Teil der DNA-„Leiter“ wickelt sich ab und öffnet sich. Dadurch gehen die RNA-Buchstaben Bindungen mit den offenen DNA-Buchstaben eines der DNA-Stränge ein. Das Enzym überträgt die RNA-Buchstaben, um sie zu einem Strang zu verbinden. Auf diese Weise werden die Buchstaben der DNA in die Buchstaben der RNA „umgeschrieben“. Die neu gebildete RNA-Kette wird getrennt und die DNA-„Leiter“ dreht sich erneut. Der Prozess des Lesens von Informationen aus der DNA und deren Synthese mithilfe ihrer RNA-Matrix wird als bezeichnet Transkription , und die synthetisierte RNA wird Messenger oder genannt mRNA .

Nach weiteren Modifikationen ist diese Art von kodierter mRNA fertig. mRNA kommt aus dem Kern und geht zum Ort der Proteinsynthese, wo die Buchstaben der mRNA entschlüsselt werden. Jeder Satz aus drei i-RNA-Buchstaben bildet einen „Buchstaben“, der eine bestimmte Aminosäure darstellt.

Eine andere Art von RNA findet diese Aminosäure, fängt sie mit Hilfe eines Enzyms ein und liefert sie an den Ort der Proteinsynthese. Diese RNA wird Transfer-RNA oder t-RNA genannt. Während die mRNA-Nachricht gelesen und übersetzt wird, wächst die Aminosäurekette. Diese Kette dreht und faltet sich in eine einzigartige Form und erzeugt so eine Proteinart. Schon der Proteinfaltungsprozess ist bemerkenswert: Um alles zu berechnen, braucht es einen Computer Optionen Die Faltung eines durchschnittlich großen Proteins bestehend aus 100 Aminosäuren würde 1027 (!) Jahre dauern. Und es dauert nicht länger als eine Sekunde, um im Körper eine Kette von 20 Aminosäuren zu bilden, und dieser Prozess läuft kontinuierlich in allen Zellen des Körpers ab.

Gene, genetischer Code und seine Eigenschaften.

Auf der Erde leben etwa 7 Milliarden Menschen. Abgesehen von den 25-30 Millionen eineiigen Zwillingspaaren, genetisch gesehen alle Menschen sind unterschiedlich : Jeder ist einzigartig, hat einzigartige Erbmerkmale, Charaktereigenschaften, Fähigkeiten und Temperament.

Diese Unterschiede werden erklärt Unterschiede in den Genotypen- Gensätze des Organismus; Jedes ist einzigartig. Die genetischen Eigenschaften eines bestimmten Organismus werden verkörpert in Proteinen - Daher unterscheidet sich die Struktur des Proteins einer Person, wenn auch nur geringfügig, von der Proteinstruktur einer anderen Person.

Es bedeutet nicht dass keine zwei Menschen genau die gleichen Proteine ​​haben. Proteine, die die gleichen Funktionen erfüllen, können gleich sein oder sich nur geringfügig um ein oder zwei Aminosäuren voneinander unterscheiden. Aber existiert nicht Auf der Erde gäbe es Menschen (mit Ausnahme eineiiger Zwillinge), die alle ihre Proteine ​​hätten sind gleich .

Informationen zur Protein-Primärstruktur kodiert als Nukleotidsequenz in einem Abschnitt eines DNA-Moleküls, Gen – eine Einheit der Erbinformation eines Organismus. Jedes DNA-Molekül enthält viele Gene. Die Gesamtheit aller Gene eines Organismus macht ihn aus Genotyp . Auf diese Weise,

Ein Gen ist eine Einheit der Erbinformation eines Organismus, die einem separaten Abschnitt der DNA entspricht

Die Kodierung erblicher Informationen erfolgt mittels genetischer Code , das für alle Organismen universell ist und sich nur durch den Wechsel von Nukleotiden unterscheidet, die Gene bilden und Proteine ​​​​spezifischer Organismen kodieren.

Genetischer Code besteht aus Tripletts (Tripletts) von DNA-Nukleotiden, kombiniert in verschiedenen Sequenzen (AAT, HCA, ACG, THC usw.), von denen jede eine bestimmte Aminosäure kodiert (die in die Polypeptidkette eingebaut wird).

Eigentlich Code zählt Nukleotidsequenz in einem mRNA-Molekül , Weil Es entfernt Informationen aus der DNA (Prozess Transkriptionen ) und übersetzt es in eine Aminosäuresequenz in den Molekülen synthetisierter Proteine ​​(der Prozess). Sendungen ).
Die Zusammensetzung der mRNA umfasst die Nukleotide A-C-G-U, deren Tripletts genannt werden Codons : Ein Triplett auf DNA-CGT auf i-RNA wird zu einem Triplett-GCA und ein Triplett-DNA-AAG wird zu einem Triplett-UUC. genau mRNA-Codons Der genetische Code spiegelt sich in der Aufzeichnung wider.

Auf diese Weise, genetischer Code – ein einheitliches System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Nukleinsäuremolekülen in Form einer Nukleotidsequenz . Der genetische Code basiert auf der Verwendung eines Alphabets, das aus nur vier Buchstaben-Nukleotiden besteht, die sich durch stickstoffhaltige Basen unterscheiden: A, T, G, C.

Grundlegende Eigenschaften des genetischen Codes:

1. Genetischer Code Triplett. Ein Triplett (Codon) ist eine Sequenz aus drei Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren. Da Proteine ​​​​20 Aminosäuren enthalten, ist es offensichtlich, dass nicht jede von ihnen durch ein Nukleotid kodiert werden kann ( Da es in der DNA nur vier Arten von Nukleotiden gibt, bleiben in diesem Fall 16 Aminosäuren unkodiert). Auch zwei Nukleotide reichen nicht aus, um Aminosäuren zu kodieren, da in diesem Fall nur 16 Aminosäuren kodiert werden können. Das bedeutet, dass die kleinste Anzahl an Nukleotiden, die eine Aminosäure kodieren, mindestens drei betragen muss. In diesem Fall beträgt die Anzahl der möglichen Nukleotidtripletts 43 = 64.

2. Redundanz (Entartung) Der Code ist eine Folge seiner Triplettnatur und bedeutet, dass eine Aminosäure durch mehrere Tripletts kodiert werden kann (da es 20 Aminosäuren und 64 Tripletts gibt), mit Ausnahme von Methionin und Tryptophan, die nur durch ein Triplett kodiert werden. Darüber hinaus erfüllen einige Tripletts spezifische Funktionen: In einem mRNA-Molekül sind die Tripletts UAA, UAG, UGA Stoppcodons, d.h. stoppen-Signale, die die Synthese der Polypeptidkette stoppen. Das dem Methionin (AUG) entsprechende Triplett, das sich am Anfang der DNA-Kette befindet, kodiert nicht für eine Aminosäure, sondern übernimmt die Funktion, das Lesen zu initiieren (anzuregen).

3. Eindeutigkeit Code – gleichzeitig mit Redundanz hat Code die Eigenschaft Eindeutigkeit : jedes Codon passt nur eins eine bestimmte Aminosäure.

4. Kollinearität Code, d.h. Nukleotidsequenz in einem Gen genau entspricht der Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein.

5. Genetischer Code überlappungsfrei und kompakt , d.h. enthält keine „Satzzeichen“. Dies bedeutet, dass der Lesevorgang die Möglichkeit überlappender Spalten (Tripletts) nicht zulässt und das Lesen ab einem bestimmten Codon kontinuierlich fortschreitet, Triplett für Triplett, bis stoppen-Signale ( Stopp-Codons).

6. Genetischer Code Universal- , d. h. die Kerngene aller Organismen kodieren Informationen über Proteine ​​auf die gleiche Weise, unabhängig vom Organisationsgrad und der systematischen Stellung dieser Organismen.

Existieren genetische Codetabellen zur Entschlüsselung Codons mRNA und Aufbau von Ketten aus Proteinmolekülen.

Matrixsynthesereaktionen.

In lebenden Systemen treten Reaktionen auf, die in der unbelebten Natur unbekannt sind – Matrixsynthesereaktionen.

Der Begriff „Matrix“ In der Technik bezeichnet man damit eine Form zum Gießen von Münzen, Medaillen und typografischen Schriftarten: Das gehärtete Metall gibt alle Details der zum Gießen verwendeten Form exakt wieder. Matrixsyntheseähnelt dem Guss auf eine Matrix: Neue Moleküle werden exakt nach dem Plan synthetisiert, der in der Struktur bestehender Moleküle festgelegt ist.

Das Matrixprinzip liegt im Kern die wichtigsten Synthesereaktionen der Zelle, etwa die Synthese von Nukleinsäuren und Proteinen. Diese Reaktionen gewährleisten die exakte, streng spezifische Reihenfolge der Monomereinheiten in den synthetisierten Polymeren.

Hier gibt es richtungsweisende Maßnahmen. Monomere an einen bestimmten Ort ziehen Zellen - in Moleküle, die als Matrix dienen, in der die Reaktion stattfindet. Würden solche Reaktionen durch zufällige Kollisionen von Molekülen ablaufen, würden sie unendlich langsam ablaufen. Die Synthese komplexer Moleküle nach dem Template-Prinzip erfolgt schnell und präzise. Die Rolle der Matrix Makromoleküle von Nukleinsäuren spielen bei Matrixreaktionen eine Rolle DNA oder RNA .

Monomere Moleküle aus denen das Polymer synthetisiert wird – Nukleotide oder Aminosäuren – werden nach dem Prinzip der Komplementarität in einer genau definierten, festgelegten Reihenfolge auf der Matrix lokalisiert und fixiert.

Dann passiert es „Vernetzung“ von Monomereinheiten zu einer Polymerkette, und das fertige Polymer wird aus der Matrix ausgetragen.

Danach Matrix ist fertig zum Aufbau eines neuen Polymermoleküls. Es ist klar, dass genau wie auf einer gegebenen Form nur eine Münze oder ein Buchstabe gegossen werden kann, so kann auf einem gegebenen Matrixmolekül nur ein Polymer „zusammengebaut“ werden.

Matrixreaktionstyp- ein spezifisches Merkmal der Chemie lebender Systeme. Sie sind die Grundlage der grundlegenden Eigenschaft aller Lebewesen – ihrer Fähigkeit, sich unter ihresgleichen zu reproduzieren.

Reaktionen der Template-Synthese

1. DNA Replikation - Replikation (von lateinisch „replication“ – Erneuerung) – der Prozess der Synthese eines Tochtermoleküls der Desoxyribonukleinsäure auf der Matrix des übergeordneten DNA-Moleküls. Bei der anschließenden Teilung der Mutterzelle erhält jede Tochterzelle eine Kopie eines DNA-Moleküls, das mit der DNA der ursprünglichen Mutterzelle identisch ist. Dieser Prozess stellt sicher, dass genetische Informationen korrekt von Generation zu Generation weitergegeben werden. Die DNA-Replikation erfolgt durch einen komplexen Enzymkomplex, der aus 15–20 verschiedenen Proteinen besteht, genannt antwortend . Das Synthesematerial sind freie Nukleotide, die im Zytoplasma der Zellen vorhanden sind. Die biologische Bedeutung der Replikation liegt in der genauen Übertragung von Erbinformationen vom Muttermolekül auf die Tochtermoleküle, die normalerweise bei der Teilung somatischer Zellen erfolgt.

Ein DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären Strängen. Diese Ketten werden durch schwache Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, die durch Enzyme aufgebrochen werden können. Das DNA-Molekül ist zur Selbstvervielfältigung (Replikation) fähig, und auf jeder alten Hälfte des Moleküls wird eine neue Hälfte synthetisiert.
Darüber hinaus kann ein mRNA-Molekül auf einem DNA-Molekül synthetisiert werden, das dann die von der DNA erhaltenen Informationen an den Ort der Proteinsynthese überträgt.

Informationsübertragung und Proteinsynthese erfolgen nach einem Matrixprinzip, vergleichbar mit dem Betrieb einer Druckmaschine in einer Druckerei. Informationen aus der DNA werden viele Male kopiert. Sollten beim Kopieren Fehler auftreten, wiederholen sich diese bei allen weiteren Kopien.

Zwar können einige Fehler beim Kopieren von Informationen mit einem DNA-Molekül korrigiert werden – der Prozess der Fehlerbeseitigung wird als Fehlerbeseitigung bezeichnet Wiedergutmachung. Die erste Reaktion im Prozess der Informationsübertragung ist die Replikation des DNA-Moleküls und die Synthese neuer DNA-Ketten.

2. Transkription (von lateinisch transcriptio – Umschreiben) – der Prozess der RNA-Synthese unter Verwendung von DNA als Vorlage, der in allen lebenden Zellen abläuft. Mit anderen Worten handelt es sich um die Übertragung genetischer Informationen von der DNA auf die RNA.

Die Transkription wird durch das Enzym DNA-abhängige RNA-Polymerase katalysiert. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Moleküls in der Richtung 3" → 5". Die Transkription besteht aus Etappen Einleitung, Verlängerung und Beendigung . Die Transkriptionseinheit ist ein Operon, ein Fragment eines DNA-Moleküls, bestehend aus Promotor, transkribierter Teil und Terminator . mRNA besteht aus einer einzelnen Kette und wird nach der Komplementaritätsregel unter Beteiligung eines Enzyms auf DNA synthetisiert, das den Anfang und das Ende der Synthese des mRNA-Moleküls aktiviert.

Das fertige mRNA-Molekül gelangt in das Zytoplasma auf Ribosomen, wo die Synthese von Polypeptidketten stattfindet.

3. Übertragen (von lat. Übersetzung- Übertragung, Bewegung) - der Prozess der Proteinsynthese aus Aminosäuren auf einer Informationsmatrix (Messenger) RNA (mRNA, mRNA), durchgeführt vom Ribosom. Mit anderen Worten handelt es sich dabei um den Prozess der Übersetzung der in der Nukleotidsequenz der mRNA enthaltenen Informationen in die Aminosäuresequenz des Polypeptids.

4. Reverse Transkription ist der Prozess der Bildung doppelsträngiger DNA basierend auf Informationen aus einzelsträngiger RNA. Dieser Vorgang wird als Reverse Transkription bezeichnet, da die Übertragung genetischer Informationen in „umgekehrter“ Richtung zur Transkription erfolgt. Die Idee der Reverse Transkription war zunächst sehr unpopulär, da sie dem zentralen Dogma der Molekularbiologie widersprach, das davon ausging, dass DNA in RNA umgeschrieben und dann in Proteine ​​übersetzt wird.

1970 entdeckten Temin und Baltimore jedoch unabhängig voneinander ein Enzym namens Reverse Transkriptase (Revertase) und die Möglichkeit einer umgekehrten Transkription wurde schließlich bestätigt. 1975 erhielten Temin und Baltimore den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Einige Viren (wie das Humane Immundefizienzvirus, das eine HIV-Infektion verursacht) haben die Fähigkeit, RNA in DNA umzuwandeln. HIV verfügt über ein RNA-Genom, das in die DNA integriert ist. Dadurch kann die DNA des Virus mit dem Genom der Wirtszelle kombiniert werden. Das Hauptenzym, das für die Synthese von DNA aus RNA verantwortlich ist, wird genannt umkehren. Eine der Funktionen von Reversease ist das Erstellen komplementäre DNA (cDNA) aus dem viralen Genom. Das zugehörige Enzym Ribonuklease spaltet RNA und Reversease synthetisiert cDNA aus der DNA-Doppelhelix. Die cDNA wird durch Integrase in das Genom der Wirtszelle integriert. Das Ergebnis ist Synthese viraler Proteine ​​​​durch die Wirtszelle, die neue Viren bilden. Bei HIV ist auch die Apoptose (Zelltod) von T-Lymphozyten programmiert. In anderen Fällen kann die Zelle weiterhin ein Virusverteiler bleiben.

Der Ablauf von Matrixreaktionen bei der Proteinbiosynthese lässt sich in Form eines Diagramms darstellen.

Auf diese Weise, Proteinbiosynthese- Dies ist eine der Arten des plastischen Austauschs, bei dem in DNA-Genen kodierte Erbinformationen in eine bestimmte Aminosäuresequenz in Proteinmolekülen umgesetzt werden.

Proteinmoleküle sind im Wesentlichen Polypeptidketten aus einzelnen Aminosäuren zusammengesetzt. Aminosäuren sind jedoch nicht aktiv genug, um sich allein miteinander zu verbinden. Bevor sie sich miteinander verbinden und ein Proteinmolekül bilden, müssen daher Aminosäuren vorhanden sein aktivieren Sie . Diese Aktivierung erfolgt unter Einwirkung spezieller Enzyme.

Durch die Aktivierung wird die Aminosäure labiler und bindet unter der Wirkung desselben Enzyms an t- RNA. Jede Aminosäure entspricht einem streng spezifischen T- RNA, das „seine“ Aminosäure findet und Überweisungen es in das Ribosom.

Folglich verschiedene aktivierte Aminosäuren kombiniert mit ihren eigenen T- RNA. Das Ribosom ist wie Förderer aus verschiedenen ihm zugeführten Aminosäuren eine Proteinkette zusammenzusetzen.

Gleichzeitig mit der t-RNA, auf der ihre eigene Aminosäure „sitzt“, „ Signal„aus der DNA, die im Zellkern enthalten ist. Entsprechend diesem Signal wird im Ribosom das eine oder andere Protein synthetisiert.

Der lenkende Einfluss der DNA auf die Proteinsynthese erfolgt nicht direkt, sondern mit Hilfe eines speziellen Vermittlers – Matrix oder Boten-RNA (m-RNA oder mRNA), welche in den Zellkern synthetisiert e unter dem Einfluss von DNA, daher spiegelt seine Zusammensetzung die Zusammensetzung der DNA wider. Das RNA-Molekül ist wie ein Abguss der DNA-Form. Die synthetisierte mRNA gelangt in das Ribosom und überträgt es sozusagen auf diese Struktur planen- In welcher Reihenfolge müssen die aktivierten Aminosäuren, die in das Ribosom gelangen, miteinander kombiniert werden, damit ein bestimmtes Protein synthetisiert werden kann? Ansonsten, In der DNA kodierte genetische Informationen werden auf mRNA und dann auf Protein übertragen.

Das mRNA-Molekül dringt in das Ribosom ein und Stiche ihr. Es wird derjenige Abschnitt davon bestimmt, der sich aktuell im Ribosom befindet Codon (Triplett), interagiert auf ganz spezifische Weise mit denen, die ihm strukturell ähnlich sind Triplett (Anticodon) in Transfer-RNA, die die Aminosäure in das Ribosom brachte.

Transfer-RNA mit ihrer Aminosäure passt zu einem bestimmten Codon der mRNA und verbindet mit ihm; zum nächsten, benachbarten Abschnitt der mRNA eine weitere tRNA mit einer anderen Aminosäure wird hinzugefügt und so weiter, bis die gesamte i-RNA-Kette abgelesen ist, bis alle Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge reduziert sind und ein Proteinmolekül bilden. Und tRNA, die die Aminosäure an einen bestimmten Teil der Polypeptidkette lieferte, von seiner Aminosäure befreit und verlässt das Ribosom.

Anschließend kann sich im Zytoplasma die gewünschte Aminosäure daran anschließen und erneut auf das Ribosom übertragen. An der Proteinsynthese sind nicht ein, sondern mehrere Ribosomen – Polyribosomen – gleichzeitig beteiligt.

Die Hauptphasen der Übertragung genetischer Informationen:

1. Synthese auf DNA als Vorlage für mRNA (Transkription)
2. Synthese einer Polypeptidkette in Ribosomen gemäß dem in mRNA enthaltenen Programm (Übersetzung) .

Die Stadien sind für alle Lebewesen universell, die zeitlichen und räumlichen Zusammenhänge dieser Prozesse unterscheiden sich jedoch bei Pro- und Eukaryoten.

U Prokaryoten Transkription und Translation können gleichzeitig erfolgen, da sich die DNA im Zytoplasma befindet. U Eukaryoten Transkription und Translation sind räumlich und zeitlich strikt getrennt: Die Synthese verschiedener RNAs findet im Kern statt, danach müssen die RNA-Moleküle den Kern verlassen, indem sie die Kernmembran passieren. Die RNAs werden dann im Zytoplasma zum Ort der Proteinsynthese transportiert.