Genetischer Code der Nachricht. Genetischer Code als Möglichkeit, Erbinformationen aufzuzeichnen

GENETISCHER CODE, ein System zur Aufzeichnung erblicher Informationen in Form einer Sequenz von Nukleotidbasen in DNA-Molekülen (bei einigen Viren - RNA), das die Primärstruktur (Lage der Aminosäurereste) in Proteinmolekülen (Polypeptidmolekülen) bestimmt. Das Problem des genetischen Codes wurde nach dem Nachweis der genetischen Rolle der DNA (amerikanische Mikrobiologen O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy, 1944) und der Entschlüsselung ihrer Struktur (J. Watson, F. Crick, 1953) formuliert dass Gene die Struktur und Funktionen von Enzymen bestimmen (das Prinzip „ein Gen – ein Enzym“ von J. Beadle und E. Tatem, 1941) und dass eine Abhängigkeit der räumlichen Struktur und Aktivität eines Proteins von seiner Primärstruktur besteht (F. Sanger, 1955). Die Frage, wie Kombinationen von 4 Nukleinsäurebasen den Wechsel von 20 gemeinsamen Aminosäureresten in Polypeptiden bestimmen, wurde erstmals 1954 von G. Gamow gestellt.

Basierend auf einem Experiment, in dem sie die Wechselwirkungen von Insertionen und Deletionen eines Nukleotidpaars in einem der Gene des T4-Bakteriophagen untersuchten, bestimmten F. Crick und andere Wissenschaftler 1961 die allgemeinen Eigenschaften des genetischen Codes: Triplettität, d. h. Jeder Aminosäurerest in der Polypeptidkette entspricht einem Satz von drei Basen (Triplett oder Codon) in der DNA eines Gens. Codons innerhalb eines Gens werden von einem festen Punkt aus in einer Richtung und „ohne Kommas“ gelesen, d. h. die Codons sind nicht durch irgendwelche Zeichen voneinander getrennt; Degeneration oder Redundanz – derselbe Aminosäurerest kann von mehreren Codons (synonymen Codons) kodiert werden. Die Autoren gingen davon aus, dass sich die Codons nicht überlappen (jede Base gehört nur zu einem Codon). Die direkte Untersuchung der Kodierungskapazität von Tripletts wurde mit einem zellfreien Proteinsynthesesystem unter der Kontrolle synthetischer Boten-RNA (mRNA) fortgesetzt. Bis 1965 wurde der genetische Code in den Werken von S. Ochoa, M. Nirenberg und H. G. Korana vollständig entschlüsselt. Die Entschlüsselung der Geheimnisse des genetischen Codes gehörte zu den herausragenden Errungenschaften der Biologie des 20. Jahrhunderts.

Die Implementierung des genetischen Codes in einer Zelle erfolgt während zweier Matrixprozesse – Transkription und Translation. Der Vermittler zwischen dem Gen und dem Protein ist mRNA, die bei der Transkription auf einem der DNA-Stränge entsteht. Dabei wird die DNA-Basensequenz, die Informationen über die Primärstruktur des Proteins trägt, in Form einer mRNA-Basensequenz „umgeschrieben“. Bei der Translation auf Ribosomen wird dann die Nukleotidsequenz der mRNA von Transfer-RNAs (tRNAs) abgelesen. Letztere haben ein Akzeptorende, an das ein Aminosäurerest gebunden ist, und ein Adapterende, ein Anticodon-Triplett, das das entsprechende mRNA-Codon erkennt. Die Wechselwirkung eines Codons und eines Anti-Codons erfolgt auf der Grundlage komplementärer Basenpaarung: Adenin (A) – Uracil (U), Guanin (G) – Cytosin (C); Dabei wird die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des synthetisierten Proteins übersetzt. Verschiedene Organismen verwenden unterschiedliche synonyme Codons mit unterschiedlichen Frequenzen für dieselbe Aminosäure. Das Lesen der mRNA, die die Polypeptidkette kodiert, beginnt (initiiert) mit dem AUG-Codon, das der Aminosäure Methionin entspricht. Seltener sind die Initiationscodons bei Prokaryoten GUG (Valin), UUG (Leucin), AUU (Isoleucin) und bei Eukaryoten UUG (Leucin), AUA (Isoleucin), ACG (Threonin), CUG (Leucin). Dies legt den sogenannten Rahmen oder die Phase des Lesens während der Translation fest, d. h., dann wird die gesamte Nukleotidsequenz der mRNA Triplett für Triplett der tRNA gelesen, bis eines der drei Terminatorcodons, oft Stopcodons genannt, auftrifft die mRNA: UAA, UAG, UGA (Tabelle). Das Ablesen dieser Tripletts führt zum Abschluss der Synthese der Polypeptidkette.

AUG- und Stoppcodons erscheinen jeweils am Anfang und am Ende der mRNA-kodierenden Polypeptidregionen.

Der genetische Code ist quasi-universal. Dies bedeutet, dass es zwischen Objekten geringfügige Unterschiede in der Bedeutung einiger Codons gibt. Dies gilt in erster Linie für Terminatorcodons, die von Bedeutung sein können. Beispielsweise kodiert UGA in den Mitochondrien einiger Eukaryoten und Mykoplasmen für Tryptophan. Darüber hinaus kodiert UGA in einigen mRNAs von Bakterien und Eukaryoten für eine ungewöhnliche Aminosäure – Selenocystein, und UAG in einem der Archaebakterien – Pyrrolysin.

Es gibt eine Sichtweise, nach der der genetische Code durch Zufall entstanden ist (Hypothese des „eingefrorenen Zufalls“). Es ist wahrscheinlicher, dass es sich weiterentwickelt hat. Diese Annahme wird durch die Existenz einer einfacheren und offenbar älteren Version des Codes gestützt, der in Mitochondrien nach der „Zwei-von-Drei“-Regel gelesen wird, wenn die Aminosäure nur durch zwei der drei Basen bestimmt wird im Triplett.

Lit.: Crick F. N. a. Ö. Allgemeine Natur des genetischen Codes für Proteine ​​// Natur. 1961. Bd. 192; Der genetische Code. N.Y., 1966; Ichas M. Biologischer Code. M., 1971; Inge-Vechtomov S.G. Wie der genetische Code gelesen wird: Regeln und Ausnahmen // Moderne Naturwissenschaft. M., 2000. T. 8; Ratner V. A. Genetischer Code als System // Soros-Bildungsjournal. 2000. T. 6. Nr. 3.

S. G. Inge-Vechtomov.

Der genetische Code ist eine Möglichkeit, die Aminosäuresequenz in einem Proteinmolekül mithilfe der Nukleotidsequenz in einem Nukleinsäuremolekül zu kodieren. Aus den Merkmalen dieser Kodierung ergeben sich die Eigenschaften des genetischen Codes.

Jede Proteinaminosäure ist mit drei aufeinanderfolgenden Nukleinsäurenukleotiden verknüpft – Triplett, oder Codon. Jedes Nukleotid kann eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten. In der RNA sind dies Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G), Cytosin (C). Durch die Kombination stickstoffhaltiger Basen (in diesem Fall Nukleotide, die sie enthalten) auf unterschiedliche Weise können Sie viele verschiedene Tripletts erhalten: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC usw. Die Gesamtzahl der möglichen Kombinationen beträgt 64, also 43.

Die Proteine ​​lebender Organismen enthalten etwa 20 Aminosäuren. Wenn die Natur „geplant“ hätte, jede Aminosäure nicht mit drei, sondern mit zwei Nukleotiden zu kodieren, dann würde die Vielfalt solcher Paare nicht ausreichen, da es nur 16 davon gäbe, d.h. 42.

Auf diese Weise, Die Haupteigenschaft des genetischen Codes ist seine Dreifachheit. Jede Aminosäure wird durch ein Nukleotidtriplett kodiert.

Da es deutlich mehr mögliche unterschiedliche Tripletts gibt als die in biologischen Molekülen verwendeten Aminosäuren, wurde in der belebten Natur folgende Eigenschaft realisiert: Redundanz genetischer Code. Viele Aminosäuren wurden nicht mehr von einem, sondern von mehreren Codons kodiert. Beispielsweise wird die Aminosäure Glycin von vier verschiedenen Codons kodiert: GGU, GGC, GGA, GGG. Redundanz wird auch genannt Entartung.

Die Entsprechung zwischen Aminosäuren und Codons ist in Tabellen dargestellt. Zum Beispiel diese:

Bezogen auf Nukleotide hat der genetische Code folgende Eigenschaft: Eindeutigkeit(oder Spezifität): Jedes Codon entspricht nur einer Aminosäure. Beispielsweise kann das GGU-Codon nur für Glycin und keine andere Aminosäure kodieren.

Noch einmal. Redundanz bedeutet, dass mehrere Tripletts für dieselbe Aminosäure kodieren können. Spezifität – jedes spezifische Codon kann nur für eine Aminosäure kodieren.

Im genetischen Code gibt es keine besonderen Satzzeichen (mit Ausnahme von Stoppcodons, die das Ende der Polypeptidsynthese anzeigen). Die Funktion von Satzzeichen wird von den Drillingen selbst übernommen – das Ende eines Satzzeichens bedeutet, dass als nächstes ein anderes beginnen wird. Dies impliziert die folgenden zwei Eigenschaften des genetischen Codes: Kontinuität Und nicht überlappend. Kontinuität bezieht sich auf das Lesen von Triolen unmittelbar hintereinander. Nicht überlappend bedeutet, dass jedes Nukleotid nur Teil eines Tripletts sein kann. Das erste Nukleotid des nächsten Tripletts kommt also immer nach dem dritten Nukleotid des vorherigen Tripletts. Ein Codon kann nicht mit dem zweiten oder dritten Nukleotid des vorhergehenden Codons beginnen. Mit anderen Worten: Der Code überschneidet sich nicht.

Der genetische Code hat die Eigenschaft Vielseitigkeit. Dies gilt für alle Organismen auf der Erde, was auf die Einheit des Ursprungs des Lebens hinweist. Hiervon gibt es sehr seltene Ausnahmen. Beispielsweise kodieren einige Drillinge in Mitochondrien und Chloroplasten andere als die üblichen Aminosäuren. Dies könnte darauf hindeuten, dass es zu Beginn des Lebens leicht unterschiedliche Variationen des genetischen Codes gab.

Schließlich hat der genetische Code Geräuschunempfindlichkeit, was eine Folge seiner Eigenschaft als Redundanz ist. Punktmutationen, die manchmal in der DNA vorkommen, führen normalerweise zum Ersatz einer stickstoffhaltigen Base durch eine andere. Dadurch verändert sich das Triplett. Es war zum Beispiel AAA, aber nach der Mutation wurde es zu AAG. Allerdings führen solche Veränderungen nicht immer zu einer Veränderung der Aminosäure im synthetisierten Polypeptid, da beide Tripletts aufgrund der Redundanzeigenschaft des genetischen Codes einer Aminosäure entsprechen können. Angesichts der Tatsache, dass Mutationen häufig schädlich sind, ist die Eigenschaft der Störimmunität nützlich.

Der genetische oder biologische Code ist eine der universellen Eigenschaften der belebten Natur und beweist die Einheit ihres Ursprungs. Genetischer Code ist eine Methode zur Kodierung der Aminosäuresequenz eines Polypeptids unter Verwendung einer Sequenz von Nukleinsäurenukleotiden (Messenger-RNA oder ein komplementärer DNA-Abschnitt, auf dem mRNA synthetisiert wird).

Es gibt andere Definitionen.

Genetischer Code- Dies ist die Entsprechung jeder Aminosäure (Teil lebender Proteine) zu einer spezifischen Sequenz von drei Nukleotiden. Genetischer Code ist die Beziehung zwischen Nukleinsäurebasen und Proteinaminosäuren.

In der wissenschaftlichen Literatur bezeichnet der genetische Code nicht die Abfolge von Nukleotiden in der DNA eines Organismus, die seine Individualität bestimmt.

Es ist falsch anzunehmen, dass ein Organismus oder eine Art einen Code hat und ein anderer einen anderen. Der genetische Code ist die Art und Weise, wie Aminosäuren durch Nukleotide kodiert werden (d. h. Prinzip, Mechanismus); es ist für alle Lebewesen universell, für alle Organismen gleich.

Daher ist es falsch, beispielsweise „Der genetische Code einer Person“ oder „Der genetische Code eines Organismus“ zu sagen, was in pseudowissenschaftlicher Literatur und Filmen häufig verwendet wird.

In diesen Fällen meinen wir normalerweise das Genom einer Person, eines Organismus usw.

Die Vielfalt lebender Organismen und die Merkmale ihrer Lebensaktivität sind in erster Linie auf die Vielfalt der Proteine ​​zurückzuführen.

Die spezifische Struktur eines Proteins wird durch die Reihenfolge und Menge der verschiedenen Aminosäuren bestimmt, aus denen es besteht. Die Aminosäuresequenz des Peptids ist mithilfe eines biologischen Codes in der DNA verschlüsselt. Aus der Sicht der Vielfalt des Monomersatzes ist DNA ein primitiveres Molekül als ein Peptid. DNA besteht aus verschiedenen Abfolgen von nur vier Nukleotiden. Dies hat Forscher lange Zeit davon abgehalten, DNA als Vererbungsmaterial zu betrachten.

Wie werden Aminosäuren durch Nukleotide kodiert?

1) Nukleinsäuren (DNA und RNA) sind Polymere, die aus Nukleotiden bestehen.

Jedes Nukleotid kann eine von vier stickstoffhaltigen Basen enthalten: Adenin (A, en: A), Guanin (G, G), Cytosin (C, en: C), Thymin (T, en: T). Im Fall der RNA wird Thymin durch Uracil (U, U) ersetzt.

Bei der Betrachtung des genetischen Codes werden nur stickstoffhaltige Basen berücksichtigt.

Dann kann die DNA-Kette als ihre lineare Sequenz dargestellt werden. Zum Beispiel:

Der zu diesem Code komplementäre mRNA-Abschnitt lautet wie folgt:

2) Proteine ​​(Polypeptide) sind Polymere, die aus Aminosäuren bestehen.

In lebenden Organismen werden 20 Aminosäuren zum Aufbau von Polypeptiden verwendet (einige weitere sind sehr selten). Um sie zu bezeichnen, können Sie auch einen Buchstaben verwenden (obwohl sie häufiger drei verwenden – eine Abkürzung für den Namen der Aminosäure).

Die Aminosäuren in einem Polypeptid sind ebenfalls linear durch eine Peptidbindung verbunden. Angenommen, es gibt einen Abschnitt eines Proteins mit der folgenden Aminosäuresequenz (jede Aminosäure wird durch einen Buchstaben bezeichnet):

3) Wenn die Aufgabe darin besteht, jede Aminosäure mit Hilfe von Nukleotiden zu kodieren, dann kommt es darauf an, wie man 20 Buchstaben mit 4 Buchstaben kodiert.

Dies kann erreicht werden, indem Buchstaben eines 20-Buchstaben-Alphabets mit Wörtern abgeglichen werden, die aus mehreren Buchstaben eines 4-Buchstaben-Alphabets bestehen.

Wenn eine Aminosäure von einem Nukleotid kodiert wird, können nur vier Aminosäuren kodiert werden.

Wenn jede Aminosäure mit zwei aufeinanderfolgenden Nukleotiden in der RNA-Kette verknüpft ist, können sechzehn Aminosäuren kodiert werden.

Wenn es tatsächlich vier Buchstaben gibt (A, U, G, C), dann beträgt die Anzahl ihrer verschiedenen Paarkombinationen 16: (AU, UA), (AG, GA), (AC, CA), (UG, GU), ( UC, CU), (GC, CG), (AA, UU, GG, CC).

[Aus Gründen der besseren Lesbarkeit werden Klammern verwendet.] Das bedeutet, dass nur 16 verschiedene Aminosäuren mit einem solchen Code kodiert werden können (ein aus zwei Buchstaben bestehendes Wort): jede hat ihr eigenes Wort (zwei aufeinanderfolgende Nukleotide).

Aus der Mathematik sieht die Formel zur Bestimmung der Anzahl der Kombinationen so aus: ab = n.

Dabei ist n die Anzahl der verschiedenen Kombinationen, a die Anzahl der Buchstaben des Alphabets (oder die Basis des Zahlensystems), b die Anzahl der Buchstaben im Wort (oder der Ziffern in der Zahl). Wenn wir das 4-Buchstaben-Alphabet und Wörter, die aus zwei Buchstaben bestehen, in diese Formel einsetzen, erhalten wir 42 = 16.

Wenn als Codewort für jede Aminosäure drei aufeinanderfolgende Nukleotide verwendet werden, können 43 = 64 verschiedene Aminosäuren codiert werden, da aus vier Buchstaben in Dreiergruppen 64 verschiedene Kombinationen gebildet werden können (z. B. AUG, GAA, CAU). , GGU usw.).

D.). Dies ist bereits mehr als genug, um 20 Aminosäuren zu kodieren.

genau Drei-Buchstaben-Code, der im genetischen Code verwendet wird. Es werden drei aufeinanderfolgende Nukleotide genannt, die für eine Aminosäure kodieren Triplett(oder Codon).

Jede Aminosäure ist mit einem bestimmten Nukleotidtriplett verbunden.

Da sich die Kombinationen von Tripletts außerdem mit der Anzahl der überschüssigen Aminosäuren überschneiden, werden viele Aminosäuren von mehreren Tripletts kodiert.

Drei Tripletts kodieren für keine der Aminosäuren (UAA, UAG, UGA).

Sie markieren das Ende der Sendung und werden aufgerufen Stopp-Codons(oder Nonsense-Codons).

Das AUG-Triplett kodiert nicht nur für die Aminosäure Methionin, sondern initiiert auch die Translation (spielt die Rolle eines Startcodons).

Nachfolgend finden Sie Tabellen zur Aminosäureentsprechung zu Nukleotidtripletts.

Anhand der ersten Tabelle ist es praktisch, die entsprechende Aminosäure aus einem bestimmten Triplett zu bestimmen. Zum zweiten – für eine bestimmte Aminosäure die ihr entsprechenden Tripletts.

Betrachten wir ein Beispiel für die Implementierung eines genetischen Codes. Es soll eine mRNA mit folgendem Inhalt vorliegen:

Teilen wir die Nukleotidsequenz in Tripletts auf:

Ordnen wir jedes Triplett der Aminosäure des Polypeptids zu, für das es kodiert:

Methionin – Asparaginsäure – Serin – Threonin – Tryptophan – Leucin – Leucin – Lysin – Asparagin – Glutamin

Das letzte Triplett ist ein Stoppcodon.

Eigenschaften des genetischen Codes

Die Eigenschaften des genetischen Codes sind größtenteils eine Folge der Art und Weise, wie Aminosäuren kodiert werden.

Die erste und offensichtliche Eigenschaft ist Dreifachheit.

Es bezieht sich auf die Tatsache, dass die Codeeinheit eine Folge von drei Nukleotiden ist.

Eine wichtige Eigenschaft des genetischen Codes ist seine nicht überlappend. Ein in einem Triplett enthaltenes Nukleotid kann nicht in einem anderen enthalten sein.

Das heißt, die Sequenz AGUGAA kann nur als AGU-GAA gelesen werden, nicht aber beispielsweise so: AGU-GUG-GAA. Das heißt, wenn ein GU-Paar in einem Triplett enthalten ist, kann es nicht bereits Bestandteil eines anderen Tripletts sein.

Unter Eindeutigkeit Der genetische Code sieht vor, dass jedes Triplett nur einer Aminosäure entspricht.

Beispielsweise kodiert das AGU-Triplett für die Aminosäure Serin und nichts anderes.

Genetischer Code

Dieses Triplett entspricht eindeutig nur einer Aminosäure.

Andererseits können einer Aminosäure auch mehrere Tripletts entsprechen. Beispielsweise entspricht das gleiche Serin zusätzlich zu AGU dem AGC-Codon. Diese Eigenschaft heißt Entartung genetischer Code.

Durch die Degeneration bleiben viele Mutationen harmlos, da der Austausch eines Nukleotids in der DNA häufig nicht zu einer Änderung des Triplettwerts führt. Schaut man sich die Tabelle der Aminosäure-Entsprechungen zu Tripletts genau an, erkennt man, dass sich, wenn eine Aminosäure von mehreren Tripletts kodiert wird, diese oft im letzten Nukleotid unterscheiden, d. h. es kann alles sein.

Einige andere Eigenschaften des genetischen Codes werden ebenfalls erwähnt (Kontinuität, Störfestigkeit, Universalität usw.).

Resilienz als Anpassung von Pflanzen an Lebensbedingungen. Grundlegende Reaktionen von Pflanzen auf die Einwirkung ungünstiger Faktoren.

Pflanzenresistenz ist die Fähigkeit, den Auswirkungen extremer Umweltfaktoren (Boden- und Lufttrockenheit) zu widerstehen.

Die Einzigartigkeit des genetischen Codes zeigt sich darin

Diese Eigenschaft wurde im Laufe der Evolution entwickelt und genetisch fixiert. In Gebieten mit ungünstigen Bedingungen haben sich stabile Zierformen und lokale Sorten dürreresistenter Kulturpflanzen gebildet. Eine besondere Resistenz von Pflanzen zeigt sich erst unter dem Einfluss extremer Umweltfaktoren.

Als Folge des Auftretens eines solchen Faktors beginnt die Reizphase – eine starke Abweichung von der Norm einer Reihe physiologischer Parameter und deren schnelle Rückkehr zur Normalität. Dann kommt es zu einer Veränderung der Stoffwechselrate und einer Schädigung intrazellulärer Strukturen. Gleichzeitig werden alle synthetischen unterdrückt, alle hydrolytischen aktiviert und die Gesamtenergieversorgung des Körpers sinkt. Übersteigt die Wirkung des Faktors den Schwellenwert nicht, beginnt die Adaptionsphase.

Eine angepasste Pflanze reagiert weniger auf wiederholte oder zunehmende Exposition gegenüber einem extremen Faktor. Auf der Ebene des Organismus kommen zu den Anpassungsmechanismen auch Interaktionen zwischen Organen hinzu. Die Abschwächung der Bewegung von Wasserströmen, mineralischen und organischen Verbindungen durch die Pflanze verschärft die Konkurrenz zwischen den Organen und stoppt deren Wachstum.

Biostabilität in Pflanzen definiert. der Maximalwert des Extremfaktors, bei dem Pflanzen noch lebensfähige Samen bilden. Die agronomische Stabilität wird durch den Grad der Ertragsminderung bestimmt. Pflanzen zeichnen sich durch ihre Resistenz gegenüber einer bestimmten Art von Extremfaktoren aus: Überwinterung, Gasresistenz, Salzresistenz, Trockenheitsresistenz.

Die Art der Spulwürmer hat im Gegensatz zu Plattwürmern eine primäre Körperhöhle – ein Schizocoel, das durch die Zerstörung des Parenchyms entsteht, das die Lücken zwischen der Körperwand und den inneren Organen füllt – seine Funktion ist der Transport.

Es hält die Homöostase aufrecht. Die Körperform hat einen runden Durchmesser. Die Haut ist kutikuliert. Die Muskulatur wird durch eine Schicht Längsmuskulatur dargestellt. Der Darm ist durchgehend und besteht aus drei Abschnitten: dem vorderen, mittleren und hinteren. Die Mundöffnung befindet sich auf der ventralen Oberfläche des vorderen Körperendes. Der Pharynx hat ein charakteristisches dreieckiges Lumen. Das Ausscheidungssystem wird durch Protonephridien oder spezielle Hautdrüsen – Unterhautdrüsen – repräsentiert. Die meisten Arten sind zweihäusig und vermehren sich nur sexuell.

Die Entwicklung erfolgt direkt, seltener mit Metamorphose. Sie haben eine konstante Zellzusammensetzung des Körpers und sind nicht in der Lage, sich zu regenerieren. Der vordere Darm besteht aus Mundhöhle, Rachen und Speiseröhre.

Sie haben keinen mittleren oder hinteren Abschnitt. Das Ausscheidungssystem besteht aus 1-2 Riesenzellen der Unterhaut. Längsausscheidungskanäle liegen in den seitlichen Leisten der Unterhaut.

Eigenschaften des genetischen Codes. Hinweise auf Triplett-Code. Codons entschlüsseln. Codons stoppen. Das Konzept der genetischen Unterdrückung.

Die Idee, dass ein Gen Informationen in der Primärstruktur eines Proteins kodiert, wurde von F. konkretisiert.

Crick in seiner Sequenzhypothese, wonach die Reihenfolge der Genelemente die Reihenfolge der Aminosäurereste in der Polypeptidkette bestimmt. Die Gültigkeit der Sequenzhypothese wird durch die Kolinearität der Strukturen des Gens und des von ihm kodierten Polypeptids bewiesen. Die bedeutendste Entwicklung im Jahr 1953 war die Überlegung, dass. Dass der Code höchstwahrscheinlich ein Triplett ist.

; DNA-Basenpaare: A-T, T-A, G-C, C-G – können nur 4 Aminosäuren kodieren, wenn jedes Paar einer Aminosäure entspricht. Wie Sie wissen, enthalten Proteine ​​20 basische Aminosäuren. Wenn wir davon ausgehen, dass jede Aminosäure 2 Basenpaare hat, dann können 16 Aminosäuren (4*4) kodiert werden – das ist wiederum nicht genug.

Wenn der Code ein Triplett ist, können aus 4 Basenpaaren 64 Codons (4*4*4) gebildet werden, was mehr als genug ist, um 20 Aminosäuren zu kodieren. Crick und seine Kollegen gingen davon aus, dass es sich um einen Triplett-Code handelte; es gab keine „Kommas“ zwischen den Codons, also Trennzeichen; Der Code innerhalb eines Gens wird von einem festen Punkt in eine Richtung gelesen. Im Sommer 1961 berichteten Kirenberg und Mattei über die Entschlüsselung des ersten Codons und schlugen eine Methode zur Bestimmung der Zusammensetzung von Codons in einem zellfreien Proteinsynthesesystem vor.

Somit wurde das Codon für Phenylalanin als UUU in mRNA transkribiert. Darüber hinaus als Ergebnis der Anwendung von Methoden, die 1965 von Korana, Nirenberg und Leder entwickelt wurden.

Es wurde ein Codewörterbuch in seiner modernen Form zusammengestellt. Somit war das Auftreten von Mutationen in T4-Phagen, die durch den Verlust oder die Hinzufügung von Basen verursacht wurden, ein Beweis für die Triplettnatur des Codes (Eigenschaft 1). Diese Löschungen und Hinzufügungen, die beim „Lesen“ des Codes zu Frame-Verschiebungen führten, wurden nur durch die Wiederherstellung der Korrektheit des Codes beseitigt; dadurch wurde das Auftreten von Mutanten verhindert. Diese Experimente zeigten auch, dass sich Tripletts nicht überlappen, d. h. jede Base kann nur zu einem Triplett gehören (Eigenschaft 2).

Die meisten Aminosäuren haben mehrere Codons. Ein Code, bei dem die Anzahl der Aminosäuren geringer ist als die Anzahl der Codons, wird als degeneriert (Eigenschaft 3) bezeichnet, d. h.

h. eine bestimmte Aminosäure kann von mehr als einem Triplett kodiert werden. Darüber hinaus kodieren drei Codons überhaupt keine Aminosäure („Nonsense-Codons“) und fungieren als „Stoppsignal“. Ein Stoppcodon ist der Endpunkt einer funktionellen DNA-Einheit, des Cistrons. Stoppcodons sind bei allen Arten gleich und werden als UAA, UAG, UGA dargestellt. Ein bemerkenswertes Merkmal des Codes ist, dass er universell ist (Eigenschaft 4).

In allen lebenden Organismen kodieren dieselben Tripletts für dieselben Aminosäuren.

Die Existenz von drei Arten mutierter Codon-Terminatoren und deren Unterdrückung wurden in E. coli und Hefe nachgewiesen. Die Entdeckung von Suppressorgenen, die Nonsens-Allele verschiedener Gene „interpretieren“, weist darauf hin, dass sich die Übersetzung des genetischen Codes ändern kann.

Mutationen, die das Anticodon von tRNAs beeinflussen, verändern deren Codonspezifität und schaffen die Möglichkeit der Unterdrückung von Mutationen auf der Translationsebene. Eine Unterdrückung auf der Translationsebene kann aufgrund von Mutationen in den Genen auftreten, die für bestimmte ribosomale Proteine ​​kodieren. Als Folge dieser Mutationen macht das Ribosom „Fehler“, beispielsweise beim Ablesen von Nonsense-Codons und bei der „Interpretation“ dieser mithilfe einiger nicht mutierter tRNAs. Neben der auf der Translationsebene wirkenden genotypischen Unterdrückung ist auch eine phänotypische Unterdrückung von Nonsense-Allelen möglich: wenn die Temperatur sinkt, wenn Zellen Aminoglykosid-Antibiotika ausgesetzt werden, die an Ribosomen binden, beispielsweise Streptomycin.

22. Fortpflanzung höherer Pflanzen: vegetativ und asexuell. Sporulation, Sporenstruktur, gleich und heterospor. Fortpflanzung als Eigenschaft lebender Materie, d. h. die Fähigkeit eines Individuums, seinesgleichen hervorzubringen, existierte in den frühen Stadien der Evolution.

Die Fortpflanzungsformen können in zwei Arten unterteilt werden: asexuelle und sexuelle. Die asexuelle Fortpflanzung selbst erfolgt ohne Beteiligung von Keimzellen mit Hilfe spezialisierter Zellen – Sporen. Sie werden in den Organen der ungeschlechtlichen Fortpflanzung gebildet - Sporangien als Folge der mitotischen Teilung.

Während der Keimung reproduziert die Spore ein neues, der Mutter ähnliches Individuum, mit Ausnahme der Sporen von Samenpflanzen, bei denen die Spore die Funktion der Fortpflanzung und Ausbreitung verloren hat. Sporen können auch durch Reduktionsteilung gebildet werden, wobei einzellige Sporen austreten.

Die Vermehrung von Pflanzen durch vegetative (Teil eines Sprosses, Blattes, Wurzel) oder Teilung einzelliger Algen in zwei Hälften wird als vegetativ (Zwiebel, Stecklinge) bezeichnet.

Die sexuelle Fortpflanzung erfolgt durch spezielle Geschlechtszellen – Gameten.

Durch die Meiose entstehen Gameten, es gibt weibliche und männliche. Durch ihre Verschmelzung entsteht eine Zygote, aus der sich anschließend ein neuer Organismus entwickelt.

Pflanzen unterscheiden sich in der Art ihrer Gameten. Bei manchen Einzellern fungiert es zu bestimmten Zeiten als Gamet. Organismen unterschiedlichen Geschlechts (Gameten) verschmelzen – diesen sexuellen Vorgang nennt man Hologamie. Wenn männliche und weibliche Gameten morphologisch ähnlich und mobil sind, handelt es sich um Isogameten.

Und der sexuelle Prozess - isogam. Wenn weibliche Gameten etwas größer und weniger beweglich sind als männliche, dann handelt es sich um Heterogameten, und es handelt sich um Heterogamie. Oogamie – weibliche Gameten sind sehr groß und unbeweglich, männliche Gameten sind klein und beweglich.

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Genetischer Code – Korrespondenz zwischen DNA-Tripletts und Proteinaminosäuren

Die Notwendigkeit, die Struktur von Proteinen in der linearen Nukleotidsequenz von mRNA und DNA zu kodieren, wird durch die Tatsache bestimmt, dass während der Übersetzung:

• es gibt keine Übereinstimmung zwischen der Anzahl der Monomere in der mRNA-Matrix und dem Produkt – dem synthetisierten Protein;
• Es gibt keine strukturelle Ähnlichkeit zwischen RNA- und Proteinmonomeren.

Dadurch entfällt die komplementäre Wechselwirkung zwischen der Matrix und dem Produkt – das Prinzip, nach dem der Aufbau neuer DNA- und RNA-Moleküle während der Replikation und Transkription erfolgt.

Daraus wird deutlich, dass es ein „Wörterbuch“ geben muss, das es ermöglicht herauszufinden, welche Sequenz von mRNA-Nukleotiden den Einbau von Aminosäuren in ein Protein in einer bestimmten Sequenz gewährleistet. Dieses „Wörterbuch“ wird genetischer, biologischer, Nukleotid- oder Aminosäurecode genannt. Es ermöglicht Ihnen, die Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, mithilfe einer spezifischen Nukleotidsequenz in DNA und mRNA zu verschlüsseln. Es zeichnet sich durch bestimmte Eigenschaften aus.

Dreiheit. Eine der Hauptfragen bei der Bestimmung der Eigenschaften des Codes war die Frage nach der Anzahl der Nukleotide, die den Einbau einer Aminosäure in das Protein bestimmen sollten.

Es wurde festgestellt, dass die kodierenden Elemente bei der Verschlüsselung einer Aminosäuresequenz tatsächlich Nukleotidtripletts sind, oder Dreiergruppen, die benannt wurden „Codons“.

Die Bedeutung von Codons.

Es konnte festgestellt werden, dass von 64 Codons der Einschluss von Aminosäuren in die synthetisierte Polypeptidkette 61 Tripletts kodiert und die restlichen 3 – UAA, UAG, UGA – nicht den Einschluss von Aminosäuren in das Protein kodieren und ursprünglich waren sogenannte bedeutungslose oder Nonsense-Codons. Später wurde jedoch gezeigt, dass diese Tripletts den Abschluss der Translation signalisieren, weshalb sie als Terminations- oder Stoppcodons bezeichnet wurden.

Die Codons der mRNA und die Nukleotidtripletts im kodierenden DNA-Strang mit der Richtung vom 5′- zum 3′-Ende haben die gleiche Sequenz stickstoffhaltiger Basen, außer dass dort in der DNA das für mRNA charakteristische Uracil (U) verwendet wird ist Thymin (T).

Spezifität.

Jedes Codon entspricht nur einer bestimmten Aminosäure. In diesem Sinne ist der genetische Code streng eindeutig.

Tabelle 4-3.

Eindeutigkeit ist eine der Eigenschaften des genetischen Codes, die sich darin manifestiert, dass...

Hauptbestandteile des Proteinsynthesesystems

Anmerkungen: Elf( eukaryontische Initiationsfaktoren) — Initiationsfaktoren; eEF ( eukaryotische Elongationsfaktoren) — Dehnungsfaktoren; eRF ( eukaryontische Freisetzungsfaktoren) sind Beendigungsfaktoren.

Entartung. Es gibt 61 Tripletts in mRNA und DNA, von denen jedes den Einbau einer von 20 Aminosäuren in das Protein kodiert.

Daraus folgt, dass in Informationsmolekülen der Einbau derselben Aminosäure in ein Protein durch mehrere Codons bestimmt wird. Diese Eigenschaft des biologischen Codes wird Degeneration genannt.

Beim Menschen werden nur 2 Aminosäuren mit einem Codon kodiert – Met und Tri, während Leu, Ser und Apr – mit sechs Codons und Ala, Val, Gly, Pro, Tre – mit vier Codons (Tabelle

Die Redundanz von Codierungssequenzen ist die wertvollste Eigenschaft eines Codes, da sie die Stabilität des Informationsflusses gegenüber den nachteiligen Auswirkungen der externen und internen Umgebung erhöht. Bei der Bestimmung der Art der Aminosäure, die in ein Protein eingebaut werden soll, ist das dritte Nukleotid in einem Codon nicht so wichtig wie die ersten beiden. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist. 4-4: Bei vielen Aminosäuren hat das Ersetzen eines Nukleotids an der dritten Position eines Codons keinen Einfluss auf dessen Bedeutung.

Linearität der Informationsaufzeichnung.

Während der Translation werden mRNA-Codons nacheinander von einem festen Startpunkt aus „gelesen“ und überlappen sich nicht. Der Informationsdatensatz enthält keine Signale, die das Ende eines Codons und den Anfang des nächsten anzeigen. Das AUG-Codon ist das Initiationscodon und wird sowohl am Anfang als auch in anderen Teilen der mRNA als Met gelesen. Die darauf folgenden Tripletts werden lückenlos nacheinander abgelesen, bis zum Stoppcodon, an dem die Synthese der Polypeptidkette abgeschlossen ist.

Vielseitigkeit.

Bis vor kurzem glaubte man, dass der Code absolut universell sei, d.h. Die Bedeutung von Codewörtern ist für alle untersuchten Organismen gleich: Viren, Bakterien, Pflanzen, Amphibien, Säugetiere, einschließlich des Menschen.

Eine Ausnahme wurde jedoch später bekannt: Es stellte sich heraus, dass mitochondriale mRNA 4 Tripletts enthält, die eine andere Bedeutung haben als in mRNA nuklearen Ursprungs. So kodiert in mitochondrialer mRNA das Triplett UGA für Tri, AUA für Met und ACA und AGG werden als zusätzliche Stoppcodons gelesen.

Kolinearität von Gen und Produkt.

Bei Prokaryoten wurde eine lineare Entsprechung zwischen der Codonsequenz eines Gens und der Aminosäuresequenz im Proteinprodukt gefunden, oder, wie man sagt, es besteht eine Kolinearität zwischen dem Gen und dem Produkt.

Tabelle 4-4.

Genetischer Code

Anmerkungen: U – Uracil; C – Cytosin; A – Adenin; G – Guanin; * – Terminationscodon.

Bei Eukaryoten werden Basensequenzen in einem Gen, die kolinear mit der Aminosäuresequenz im Protein sind, durch Nitrone unterbrochen.

Daher ist in eukaryontischen Zellen die Aminosäuresequenz eines Proteins kolinear mit der Sequenz von Exons in einem Gen oder reifer mRNA nach posttranskriptioneller Entfernung von Introns.

Chemische Zusammensetzung und strukturelle Organisation des DNA-Moleküls.

Nukleinsäuremoleküle sind sehr lange Ketten, die aus vielen Hunderten oder sogar Millionen von Nukleotiden bestehen. Jede Nukleinsäure enthält nur vier Arten von Nukleotiden. Die Funktionen von Nukleinsäuremolekülen hängen von ihrer Struktur, den darin enthaltenen Nukleotiden, ihrer Anzahl in der Kette und der Reihenfolge der Verbindung im Molekül ab.

Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Kohlenhydrat und einer Phosphorsäure. IN Verbindung jedes Nukleotid DNA Enthält eine von vier Arten stickstoffhaltiger Basen (Adenin – A, Thymin – T, Guanin – G oder Cytosin – C) sowie Desoxyribose-Kohlenstoff und einen Phosphorsäurerest.

Daher unterscheiden sich DNA-Nukleotide nur in der Art der stickstoffhaltigen Base.
Das DNA-Molekül besteht aus einer großen Anzahl von Nukleotiden, die in einer bestimmten Reihenfolge zu einer Kette verbunden sind. Jeder DNA-Molekültyp hat seine eigene Anzahl und Sequenz von Nukleotiden.

DNA-Moleküle sind sehr lang. Um beispielsweise die Nukleotidsequenz in DNA-Molekülen einer menschlichen Zelle (46 Chromosomen) in Buchstaben aufzuschreiben, wäre ein Buch mit etwa 820.000 Seiten erforderlich. Der Wechsel von vier Arten von Nukleotiden kann eine unendliche Anzahl von Varianten von DNA-Molekülen bilden. Diese Strukturmerkmale von DNA-Molekülen ermöglichen es ihnen, eine große Menge an Informationen über alle Eigenschaften von Organismen zu speichern.

1953 erstellten der amerikanische Biologe J. Watson und der englische Physiker F. Crick ein Modell der Struktur des DNA-Moleküls. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass jedes DNA-Molekül aus zwei miteinander verbundenen und spiralförmig verdrehten Ketten besteht. Es sieht aus wie eine Doppelhelix. In jeder Kette wechseln sich vier Arten von Nukleotiden in einer bestimmten Reihenfolge ab.

Nukleotid DNA-Zusammensetzung variiert je nach Art von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren. Es ändert sich jedoch nicht mit dem Alter und hängt kaum von Umweltveränderungen ab. Nukleotide sind gepaart, das heißt, die Anzahl der Adeninnukleotide in jedem DNA-Molekül entspricht der Anzahl der Thymidinnukleotide (A-T) und die Anzahl der Cytosinnukleotide entspricht der Anzahl der Guaninnukleotide (C-G). Dies liegt daran, dass die Verbindung zweier Ketten in einem DNA-Molekül einer bestimmten Regel unterliegt, nämlich: Adenin einer Kette ist immer nur durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit Thymin der anderen Kette verbunden, und Guanin – durch drei Wasserstoffbrückenbindungen mit Cytosin, das heißt, die Nukleotidketten eines DNA-Moleküls sind komplementär und ergänzen sich.

Nukleinsäuremoleküle – DNA und RNA – bestehen aus Nukleotiden. DNA-Nukleotide umfassen eine stickstoffhaltige Base (A, T, G, C), das Kohlenhydrat Desoxyribose und einen Phosphorsäuremolekülrest. Das DNA-Molekül ist eine Doppelhelix, die aus zwei Ketten besteht, die nach dem Komplementaritätsprinzip durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Die Funktion der DNA besteht darin, Erbinformationen zu speichern.

Eigenschaften und Funktionen der DNA.

DNA ist ein Träger genetischer Informationen, die mithilfe eines genetischen Codes in Form einer Nukleotidsequenz aufgezeichnet werden. DNA-Moleküle sind mit zwei grundlegenden Funktionen verbunden Eigenschaften von Lebewesen Organismen - Vererbung und Variabilität. Bei einem Prozess namens DNA-Replikation werden zwei Kopien des ursprünglichen Strangs gebildet, die bei der Teilung von Tochterzellen vererbt werden, sodass die resultierenden Zellen genetisch mit dem Original identisch sind.

Genetische Informationen werden während der Genexpression in den Prozessen der Transkription (Synthese von RNA-Molekülen auf einer DNA-Matrize) und Translation (Synthese von Proteinen auf einer RNA-Matrize) umgesetzt.

Die Nukleotidsequenz „kodiert“ Informationen über verschiedene Arten von RNA: Messenger oder Template (mRNA), ribosomale (rRNA) und Transport (tRNA). Alle diese Arten von RNA werden während des Transkriptionsprozesses aus DNA synthetisiert. Ihre Rolle bei der Proteinbiosynthese (Translationsprozess) ist unterschiedlich. Messenger-RNA enthält Informationen über die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein, ribosomale RNA dient als Grundlage für Ribosomen (komplexe Nukleoproteinkomplexe, deren Hauptfunktion der Zusammenbau von Proteinen aus einzelnen Aminosäuren auf Basis von mRNA ist), Transfer-RNA liefert Amino Säuren zum Ort der Proteinassemblierung – zum aktiven Zentrum des Ribosoms, „kriechend“ auf der mRNA.

Genetischer Code, seine Eigenschaften.

Genetischer Code- eine für alle lebenden Organismen charakteristische Methode zur Kodierung der Aminosäuresequenz von Proteinen mithilfe einer Nukleotidsequenz. EIGENSCHAFTEN:

1. Dreifach- Eine sinnvolle Codeeinheit ist eine Kombination aus drei Nukleotiden (Triplett oder Codon).
2. Kontinuität- Es gibt keine Satzzeichen zwischen Triolen, d. h. die Informationen werden kontinuierlich gelesen.
3. Nicht überlappend- Das gleiche Nukleotid kann nicht gleichzeitig Teil von zwei oder mehr Tripletts sein (was bei einigen überlappenden Genen von Viren, Mitochondrien und Bakterien, die für mehrere Frameshift-Proteine ​​kodieren, nicht beobachtet wird).
4. Einzigartigkeit (Spezifität)- Ein bestimmtes Codon entspricht nur einer Aminosäure (das UGA-Codon hat jedoch Euplotes crassus kodiert zwei Aminosäuren – Cystein und Selenocystein)
5. Entartung (Redundanz)- Mehrere Codons können derselben Aminosäure entsprechen.
6. Vielseitigkeit- Der genetische Code funktioniert in Organismen unterschiedlicher Komplexität – vom Virus bis zum Menschen – gleich (gentechnische Methoden basieren darauf; es gibt eine Reihe von Ausnahmen, die in der Tabelle im Abschnitt „Variationen des standardmäßigen genetischen Codes“ aufgeführt sind). unten).
7. Geräuschunempfindlichkeit- Mutationen von Nukleotidsubstitutionen, die nicht zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen, werden genannt konservativ; Als Nukleotidsubstitution werden Mutationen bezeichnet, die zu einer Änderung der Klasse der kodierten Aminosäure führen Radikale.

5. Autoreproduktion von DNA. Replikon und seine Funktionsweise .

Der Prozess der Selbstreproduktion von Nukleinsäuremolekülen, begleitet von der Vererbung (von Zelle zu Zelle) exakter Kopien genetischer Informationen; R. wird unter Beteiligung einer Reihe spezifischer Enzyme (Helikase) durchgeführt<Helikase>Kontrolle des Abwickelns des Moleküls DNA, DNA-Polymerase<DNA-Polymerase> I und III, DNA-ligase<DNA-Ligase>) verläuft semikonservativ mit der Bildung einer Replikationsgabel<Replikationsgabel>; auf einer der Strecken<Leitstrang> Die Synthese der Komplementärkette ist kontinuierlich und andererseits<nacheilender Strang> tritt aufgrund der Bildung von Dkazaki-Fragmenten auf<Okazaki-Fragmente>; R. - ein hochpräzises Verfahren, dessen Fehlerquote 10 -9 nicht überschreitet; bei Eukaryoten R. kann an mehreren Stellen eines Moleküls gleichzeitig auftreten DNA; Geschwindigkeit R. Eukaryoten haben etwa 100 und Bakterien etwa 1000 Nukleotide pro Sekunde.

6. Ebenen der eukaryotischen Genomorganisation .

In eukaryotischen Organismen ist der Mechanismus der Transkriptionsregulation viel komplexer. Durch das Klonen und Sequenzieren eukaryontischer Gene wurden spezifische Sequenzen entdeckt, die an der Transkription und Translation beteiligt sind.
Eine eukaryotische Zelle ist gekennzeichnet durch:
1. Das Vorhandensein von Introns und Exons im DNA-Molekül.
2. Reifung der mRNA – Ausschneiden von Introns und Zusammenfügen von Exons.
3. Das Vorhandensein regulatorischer Elemente, die die Transkription regulieren, wie zum Beispiel: a) Promotoren – 3 Typen, von denen jeder von einer spezifischen Polymerase besetzt ist. Pol I repliziert ribosomale Gene, Pol II repliziert Proteinstrukturgene, Pol III repliziert Gene, die für kleine RNAs kodieren. Der Pol I- und Pol II-Promotor befindet sich vor der Transkriptionsinitiationsstelle, der Pol III-Promotor befindet sich innerhalb des Strukturgens; b) Modulatoren – DNA-Sequenzen, die das Transkriptionsniveau steigern; c) Verstärker – Sequenzen, die das Transkriptionsniveau steigern und unabhängig von ihrer Position relativ zum kodierenden Teil des Gens und dem Zustand des Ausgangspunkts der RNA-Synthese wirken; d) Terminatoren – spezifische Sequenzen, die sowohl die Translation als auch die Transkription stoppen.
Diese Sequenzen unterscheiden sich von prokaryotischen Sequenzen in ihrer Primärstruktur und Position relativ zum Startcodon und werden von der bakteriellen RNA-Polymerase nicht „erkannt“. Damit eukaryotische Gene in prokaryotischen Zellen exprimiert werden können, müssen die Gene unter der Kontrolle prokaryotischer regulatorischer Elemente stehen. Dieser Umstand muss bei der Konstruktion von Expressionsvektoren berücksichtigt werden.

7. Chemische und strukturelle Zusammensetzung der Chromosomen .

Chemisch Chromosomenzusammensetzung - DNA – 40 %, Histonproteine ​​– 40 %. Nicht-Histon – 20 % etwas RNA. Lipide, Polysaccharide, Metallionen.

Die chemische Zusammensetzung eines Chromosoms ist ein Komplex aus Nukleinsäuren mit Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden und Metallen. Das Chromosom reguliert die Genaktivität und stellt sie im Falle einer chemischen oder strahlenbedingten Schädigung wieder her.

STRUKTURELL????

Chromosomen- Nukleoprotein-Strukturelemente des Zellkerns, die DNA enthalten, die die Erbinformationen des Organismus enthält, zur Selbstreproduktion fähig sind, strukturelle und funktionelle Individualität aufweisen und diese über mehrere Generationen hinweg behalten.

Im Mitosezyklus werden folgende Merkmale der strukturellen Organisation der Chromosomen beobachtet:

Es gibt mitotische und interphasische Formen der strukturellen Organisation von Chromosomen, die sich im Mitosezyklus gegenseitig ineinander umwandeln – das sind funktionelle und physiologische Transformationen

8. Verpackungsgrade von Erbmaterial in Eukaryoten .

Strukturelle und funktionelle Ebenen der Organisation des Erbmaterials von Eukaryoten

Vererbung und Variabilität sorgen für:

1) individuelle (diskrete) Vererbung und Veränderung individueller Merkmale;

2) Reproduktion des gesamten Komplexes morphofunktioneller Merkmale von Organismen einer bestimmten biologischen Art bei Individuen jeder Generation;

3) Umverteilung bei Arten mit sexueller Fortpflanzung im Prozess der Reproduktion erblicher Neigungen, wodurch der Nachkomme eine Kombination von Merkmalen aufweist, die sich von ihrer Kombination bei den Eltern unterscheidet. Die Muster der Vererbung und Variabilität von Merkmalen und ihrer Mengen ergeben sich aus den Prinzipien der strukturellen und funktionellen Organisation des genetischen Materials.

Es gibt drei Organisationsebenen des Erbmaterials eukaryotischer Organismen: Gen, Chromosome und Genom (Genotypebene).

Die elementare Struktur der Genebene ist das Gen. Für die Entwicklung bestimmter Merkmale ist die Übertragung von Genen von den Eltern auf die Nachkommen notwendig. Obwohl mehrere Formen der biologischen Variabilität bekannt sind, verändert nur eine Verletzung der Genstruktur die Bedeutung der Erbinformation, nach der sich bestimmte Merkmale und Eigenschaften bilden. Dank des Vorhandenseins der Genebene sind individuelle, getrennte (diskrete) und unabhängige Vererbungen und Veränderungen einzelner Merkmale möglich.

Gene in eukaryotischen Zellen sind in Gruppen entlang der Chromosomen verteilt. Hierbei handelt es sich um Strukturen des Zellkerns, die sich durch Individualität und die Fähigkeit zur Selbstreproduktion unter Beibehaltung individueller Strukturmerkmale über Generationen hinweg auszeichnen. Das Vorhandensein von Chromosomen bestimmt die Identifizierung des chromosomalen Organisationsgrads des Erbmaterials. Die Platzierung von Genen auf Chromosomen beeinflusst die relative Vererbung von Merkmalen und ermöglicht es, dass die Funktion eines Gens durch seine unmittelbare genetische Umgebung – benachbarte Gene – beeinflusst wird. Die chromosomale Organisation des Erbmaterials dient als notwendige Voraussetzung für die Umverteilung der erblichen Neigungen der Eltern auf die Nachkommen während der sexuellen Fortpflanzung.

Trotz der Verteilung auf verschiedene Chromosomen verhält sich der gesamte Gensatz funktionell als Ganzes und bildet ein einziges System, das die genomische (genotypische) Organisationsebene des Erbmaterials darstellt. Auf dieser Ebene gibt es eine breite Wechselwirkung und gegenseitige Beeinflussung erblicher Neigungen, die sowohl in einem als auch in verschiedenen Chromosomen lokalisiert sind. Das Ergebnis ist die gegenseitige Übereinstimmung genetischer Informationen unterschiedlicher Erbanlagen und damit die zeitlich, örtlich und intensiv ausgeglichene Entwicklung von Merkmalen im Verlauf der Ontogenese. Die funktionelle Aktivität von Genen, die Art der Replikation und Mutationsveränderungen im Erbgut hängen auch von den Eigenschaften des Genotyps des Organismus oder der Zelle als Ganzes ab. Dies wird beispielsweise durch die Relativität der Dominanzeigenschaft belegt.

Eu - und Heterochromatin.

Einige Chromosomen erscheinen während der Zellteilung verdichtet und intensiv gefärbt. Solche Unterschiede wurden Heteropyknose genannt. Der Begriff " Heterochromatin" Es gibt Euchromatin – den Hauptteil der mitotischen Chromosomen, der während der Mitose den üblichen Zyklus der Verdichtung und Dekompaktierung durchläuft, und Heterochromatin- Chromosomenbereiche, die sich ständig in einem kompakten Zustand befinden.

Bei den meisten Eukaryotenarten enthalten die Chromosomen beides ew- und heterochromatische Regionen, wobei letztere einen erheblichen Teil des Genoms ausmachen. Heterochromatin liegt in perizentromeren, manchmal auch in peritomeren Regionen. Heterochromatische Regionen wurden in den euchromatischen Armen der Chromosomen entdeckt. Sie sehen aus wie Einschlüsse (Interkalationen) von Heterochromatin in Euchromatin. Solch Heterochromatin Interkalar genannt. Chromatinverdichtung. Euchromatin und Heterochromatin unterscheiden sich in den Verdichtungszyklen. Euhr. durchläuft einen vollständigen Zyklus der Verdichtung-Dekompaktierung von Interphase zu Interphase, Hetero. behält einen Zustand relativer Kompaktheit bei. Differenzielle Färbbarkeit. Verschiedene Bereiche des Heterochromatins werden mit unterschiedlichen Farbstoffen gefärbt, einige Bereiche mit einem, andere mit mehreren. Durch die Verwendung verschiedener Farbstoffe und die Verwendung von Chromosomenumlagerungen, die heterochromatische Regionen aufbrechen, war es möglich, viele kleine Regionen in Drosophila zu charakterisieren, in denen sich die Affinität für Flecken von benachbarten Regionen unterscheidet.

10. Morphologische Merkmale des Metaphase-Chromosoms .

Das Metaphase-Chromosom besteht aus zwei Längssträngen des Desoxyribonukleoproteins – Chromatiden, die im Bereich der primären Verengung – dem Zentromer – miteinander verbunden sind. Ein Zentromer ist eine speziell organisierte Region eines Chromosoms, die beiden Schwesterchromatiden gemeinsam ist. Das Zentromer teilt den Chromosomenkörper in zwei Arme. Abhängig vom Ort der primären Verengung werden folgende Chromosomentypen unterschieden: gleicharmig (metazentrisch), wenn das Zentromer in der Mitte liegt und die Arme etwa gleich lang sind; ungleiche Arme (submetazentrisch), wenn das Zentromer aus der Mitte des Chromosoms verschoben ist und die Arme ungleich lang sind; stäbchenförmig (akrozentrisch), wenn das Zentromer an ein Ende des Chromosoms verschoben ist und ein Arm sehr kurz ist. Es gibt auch Punktchromosomen (telozentrische Chromosomen); ihnen fehlt ein Arm, sie kommen aber im menschlichen Karyotyp (Chromosomensatz) nicht vor. Einige Chromosomen können sekundäre Verengungen aufweisen, die eine Region, die als Satellit bezeichnet wird, vom Chromosomenkörper trennen.

Jeder lebende Organismus verfügt über einen speziellen Satz an Proteinen. Bestimmte Nukleotidverbindungen und ihre Reihenfolge im DNA-Molekül bilden den genetischen Code. Es vermittelt Informationen über die Struktur des Proteins. In der Genetik hat sich ein bestimmtes Konzept durchgesetzt. Demnach entsprach ein Gen einem Enzym (Polypeptid). Es sollte gesagt werden, dass die Forschung zu Nukleinsäuren und Proteinen über einen längeren Zeitraum hinweg betrieben wird. Später in diesem Artikel werden wir uns den genetischen Code und seine Eigenschaften genauer ansehen. Außerdem wird eine kurze Chronologie der Forschung bereitgestellt.

Terminologie

Der genetische Code ist eine Möglichkeit, die Sequenz von Aminosäureproteinen zu kodieren, an der die Nukleotidsequenz beteiligt ist. Diese Art der Informationsgewinnung ist für alle lebenden Organismen charakteristisch. Proteine ​​sind natürliche organische Substanzen mit hoher Molekularität. Diese Verbindungen kommen auch in lebenden Organismen vor. Sie bestehen aus 20 Arten von Aminosäuren, die als kanonisch bezeichnet werden. Aminosäuren sind in einer Kette angeordnet und in einer streng festgelegten Reihenfolge verbunden. Es bestimmt die Struktur des Proteins und seine biologischen Eigenschaften. Es gibt auch mehrere Aminosäureketten in einem Protein.

DNA und RNA

Desoxyribonukleinsäure ist ein Makromolekül. Sie ist für die Übermittlung, Speicherung und Umsetzung der Erbinformationen verantwortlich. DNA verwendet vier stickstoffhaltige Basen. Dazu gehören Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin. RNA besteht aus den gleichen Nukleotiden, außer dass sie Thymin enthält. Stattdessen gibt es ein Nukleotid, das Uracil (U) enthält. RNA- und DNA-Moleküle sind Nukleotidketten. Dank dieser Struktur entstehen Sequenzen – das „genetische Alphabet“.

Umsetzung von Informationen

Die vom Gen kodierte Proteinsynthese wird durch die Kombination von mRNA auf einer DNA-Matrize (Transkription) realisiert. Der genetische Code wird auch in die Aminosäuresequenz übertragen. Das heißt, es findet die Synthese der Polypeptidkette auf der mRNA statt. Um alle Aminosäuren und das Signal für das Ende der Proteinsequenz zu verschlüsseln, genügen 3 Nukleotide. Diese Kette wird Triplett genannt.

Geschichte der Studie

Die Untersuchung von Proteinen und Nukleinsäuren wird schon seit langem betrieben. Mitte des 20. Jahrhunderts tauchten schließlich die ersten Ideen über die Natur des genetischen Codes auf. Im Jahr 1953 wurde entdeckt, dass einige Proteine ​​aus Aminosäuresequenzen bestehen. Ihre genaue Zahl konnte man damals zwar noch nicht ermitteln, darüber gab es zahlreiche Streitigkeiten. 1953 wurden zwei Werke der Autoren Watson und Crick veröffentlicht. Im ersten ging es um die Sekundärstruktur der DNA, im zweiten ging es um deren zulässiges Kopieren mittels Matrizensynthese. Darüber hinaus wurde Wert darauf gelegt, dass eine bestimmte Basensequenz ein Code ist, der Erbinformationen trägt. Der amerikanische und sowjetische Physiker Georgiy Gamow ging von der Codierungshypothese aus und fand eine Methode, sie zu testen. 1954 wurde seine Arbeit veröffentlicht, in der er vorschlug, Korrespondenzen zwischen Aminosäureseitenketten und rautenförmigen „Löchern“ herzustellen und diese als Kodierungsmechanismus zu nutzen. Dann hieß es rhombisch. Gamow erklärte seine Arbeit und gab zu, dass der genetische Code ein Triplett sein könnte. Die Arbeit des Physikers war eine der ersten, die als wahrheitsnah galt.

Einstufung

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Modelle genetischer Codes vorgeschlagen, und zwar zwei Arten: überlappende und nicht überlappende. Die erste basierte auf dem Einbau eines Nukleotids in mehrere Codons. Es umfasst einen dreieckigen, sequentiellen und großen-kleinen genetischen Code. Das zweite Modell geht von zwei Typen aus. Zu den nicht überlappenden Codes gehören Kombinationscode und kommafreier Code. Die erste Option basiert auf der Kodierung einer Aminosäure durch Nukleotidtripletts, und die Hauptsache ist ihre Zusammensetzung. Nach dem „Code ohne Kommas“ entsprechen bestimmte Tripletts Aminosäuren, andere jedoch nicht. In diesem Fall wurde angenommen, dass bei einer sequentiellen Anordnung signifikanter Tripletts andere, die sich in einem anderen Leserahmen befinden, unnötig wären. Wissenschaftler glaubten, dass es möglich sei, eine Nukleotidsequenz auszuwählen, die diese Anforderungen erfüllte, und dass es genau 20 Tripletts gab.

Obwohl Gamow und seine Co-Autoren dieses Modell in Frage stellten, galt es in den nächsten fünf Jahren als das korrekteste. Zu Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts tauchten neue Daten auf, die es ermöglichten, einige Mängel im „Code ohne Kommas“ aufzudecken. Es wurde festgestellt, dass Codons in der Lage sind, die Proteinsynthese in vitro zu induzieren. Kurz vor 1965 wurde das Prinzip aller 64 Tripletts verstanden. Infolgedessen wurde eine Redundanz einiger Codons entdeckt. Mit anderen Worten: Die Aminosäuresequenz wird durch mehrere Tripletts kodiert.

Unterscheidungsmerkmale

Zu den Eigenschaften des genetischen Codes gehören:

Variationen

Die erste Abweichung des genetischen Codes vom Standard wurde 1979 bei der Untersuchung mitochondrialer Gene im menschlichen Körper entdeckt. Weitere ähnliche Varianten wurden weiter identifiziert, darunter viele alternative mitochondriale Codes. Dazu gehört die Entschlüsselung des UGA-Stoppcodons, das zur Bestimmung von Tryptophan in Mykoplasmen dient. GUG und UUG in Archaeen und Bakterien werden häufig als Ausgangsoptionen verwendet. Manchmal kodieren Gene ein Protein mit einem Startcodon, das sich von dem unterscheidet, das normalerweise von der Art verwendet wird. Darüber hinaus werden in einigen Proteinen Selenocystein und Pyrrolysin, bei denen es sich um nicht standardmäßige Aminosäuren handelt, vom Ribosom eingefügt. Sie liest das Stoppcodon. Dies hängt von den in der mRNA gefundenen Sequenzen ab. Derzeit gilt Selenocystein als die 21. und Pyrrolysan als die 22. Aminosäure, die in Proteinen vorhanden ist.

Allgemeine Merkmale des genetischen Codes

Alle Ausnahmen sind jedoch selten. In lebenden Organismen weist der genetische Code im Allgemeinen eine Reihe gemeinsamer Merkmale auf. Dazu gehören die Zusammensetzung eines Codons, das drei Nukleotide umfasst (die ersten beiden gehören zu den definierenden), die Übertragung von Codons durch tRNA und Ribosomen in die Aminosäuresequenz.

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: